Électronique de base - Guide rapide

La matière est constituée de molécules constituées d'atomes. Selon la théorie de Bohr, «l'atome est constitué d'un noyau chargé positivement et d'un certain nombre d'électrons chargés négativement qui tournent autour du noyau sur diverses orbites». Lorsqu'un électron est élevé d'un état inférieur à un état supérieur, on dit qu'il estexcited. Pendant l'excitation, si l'électron est complètement éliminé du noyau, l'atome est dit ionisé. Ainsi, le processus d'élever l'atome de l'état normal à cet état ionisé est appelé commeionization.

La figure suivante montre la structure d'un atome.

Selon le modèle de Bohr, on dit qu'un électron est déplacé dans un Orbit, alors que selon la mécanique quantique, on dit qu'un électron est quelque part dans l'espace libre de l'atome, appelé comme Orbital. Cette théorie de la mécanique quantique s'est avérée juste. Par conséquent, une frontière tridimensionnelle où un électron est susceptible de se trouver est appeléeAtomic Orbital.

Nombres quantiques

Chaque orbitale, où un électron se déplace, diffère par son énergie et sa forme. Les niveaux d'énergie des orbitales peuvent être représentés à l'aide d'un ensemble discret d'intégrales et de demi-intégrales appelées nombres quantiques. Il existe quatre nombres quantiques utilisés pour définir une fonction d'onde.

Nombre quantique principal

Le premier nombre quantique qui décrit un électron est le Principal quantum number. Son symbole estn. Il spécifie la taille ou l'ordre (niveau d'énergie) du nombre. À mesure que la valeur de n augmente, la distance moyenne de l'électron au noyau augmente également, de même que l'énergie de l'électron augmente également. Le niveau d'énergie principal peut être compris comme une coquille.

Nombre quantique de moment angulaire

Ce nombre quantique a lcomme son symbole. Ce l indique la forme de l'orbitale. Il varie de 0 à n-1.

l = 0, 1, 2… n-1

Pour le premier shell, n = 1.

c'est-à-dire que pour n-1, l = 0 est la seule valeur possible de l lorsque n = 1.

Donc, quand l = 0, il est appelé comme Sorbital. La forme du S est sphérique. La figure suivante représente la forme de S.

Si n = 2, alors l = 0, 1 car ce sont les deux valeurs possibles pour n = 2.

On sait qu'il s'agit d'une orbite S pour l = 0, mais si l = 1, c'est P orbital.

L'orbitale P où les électrons sont plus susceptibles de trouver se trouve dans dumbbellforme. Il est illustré dans la figure suivante.

Numéro quantique magnétique

Ce nombre quantique est noté m_lqui représente l'orientation d'une orbitale autour du noyau. Les valeurs de m _l dépendent de l.

$$m_{l}= \int (-l\:\:to\:+l)$$

Pour l = 0, m _l = 0, cela représente une orbitale S.

Pour l = 1, m _l = -1, 0, +1 ce sont les trois valeurs possibles et cela représente P orbitale.

Nous avons donc trois orbitales P comme le montre la figure suivante.

Numéro Spin Quantum

Ceci est représenté par m_set l'électron ici, tourne sur l'axe. Le mouvement de la rotation de l'électron pourrait être soit dans le sens horaire, soit dans le sens anti-horaire, comme indiqué ci-dessous.

Les valeurs possibles pour ce nombre quantique de spin seront comme,

$$m_{s}= +\frac{1}{2}\:\:up$$

Pour un mouvement appelé spin up, le résultat est la moitié positive.

$$m_{s}= -\frac{1}{2}\:\:down$$

Pour un mouvement appelé spin down, le résultat est négatif de moitié.

Ce sont les quatre nombres quantiques.

Principe d'exclusion de Pauli

Selon le principe d'exclusion de Pauli, no two electrons in an atom can have the same set of four identical quantum numbers. Cela signifie que si deux électrons ont les mêmes valeurs de n, s, ml (comme nous venons de le voir ci-dessus), alors la valeur l serait certainement différente en eux. Par conséquent, deux électrons n'auront pas la même énergie.

Coques électroniques

Si n = 1 est un shell, alors l = 0 est un sous-shell.

De même, n = 2 est un shell, et l = 0, 1 est un sous-shell.

Les couches d'électrons correspondant à n = 1, 2, 3… .. sont représentées respectivement par K, L, M, N. Les sous-coques ou les orbitales correspondant à l = 0, 1, 2, 3 etc. sont désignées respectivement par s, p, d, f etc.

Regardons les configurations électroniques du carbone, du silicium et du germanium (groupe IV - A).

On observe que la sous-couche p la plus externe dans chaque cas ne contient que deux électrons. Mais le nombre possible d'électrons est de six. Par conséquent, il y a quatrevalence electronsdans chaque coquille la plus extérieure. Ainsi, chaque électron dans un atome a une énergie spécifique. La disposition atomique à l'intérieur des molécules dans n'importe quel type de substance est presque comme ça. Mais l'espacement entre les atomes diffère d'un matériau à l'autre.

Dans les substances gazeuses, la disposition des molécules n'est pas proche. Dans les liquides, la disposition moléculaire est modérée. Mais, dans les solides, les molécules sont si étroitement disposées que les électrons des atomes des molécules ont tendance à se déplacer dans les orbitales des atomes voisins. Par conséquent, les orbitales électroniques se chevauchent lorsque les atomes se réunissent.

En raison du mélange d'atomes dans les solides, au lieu de niveaux d'énergie uniques, il y aura des bandes de niveaux d'énergie formées. Ces ensembles de niveaux d'énergie, qui sont étroitement emballés sont appelés commeEnergy bands.

Bande de cantonnière

Les électrons se déplacent dans les atomes à certains niveaux d'énergie, mais l'énergie des électrons de la couche la plus interne est plus élevée que celle des électrons de la couche la plus externe. Les électrons qui sont présents dans la coque la plus externe sont appelés commeValance Electrons.

Ces électrons de valance, contenant une série de niveaux d'énergie, forment une bande d'énergie appelée bande de Valence. levalence bandest la bande ayant l'énergie occupée la plus élevée .

Bande de conduction

Les électrons de valence sont si lâchement attachés au noyau que même à température ambiante, peu d'électrons de valence quittent la bande libre. Ceux-ci sont appelés commefree electrons car ils ont tendance à se déplacer vers les atomes voisins.

Ces électrons libres sont ceux qui conduisent le courant dans un conducteur et donc appelés comme Conduction Electrons. La bande qui contient des électrons de conduction est appeléeConduction Band. La bande de conduction est la bande ayant la plus faible énergie occupée .

Espace interdit

L'écart entre la bande de valence et la bande de conduction est appelé forbidden energy gap. Comme son nom l'indique, ce groupe est l'interdit sans énergie. Aucun électron ne reste donc dans cette bande. Les électrons de valence, en allant vers la bande de conduction, traversent celle-ci.

L'écart d'énergie interdit s'il est plus grand, signifie que les électrons de la bande de valence sont étroitement liés au noyau. Or, pour pousser les électrons hors de la bande de valence, une certaine énergie externe est nécessaire, ce qui serait égal à l'écart d'énergie interdit.

La figure suivante montre la bande de cantonnière, la bande de conduction et l'espace interdit.

En fonction de la taille de l'espace interdit, les isolateurs, les semi-conducteurs et les conducteurs sont formés.

Isolateurs

Les isolants sont de tels matériaux dans lesquels la conduction ne peut pas avoir lieu, en raison du grand espace interdit. Exemples: bois, caoutchouc. La structure des bandes d'énergie dans les isolateurs est illustrée dans la figure suivante.

Caractéristiques

Voici les caractéristiques des isolateurs.

Le fossé énergétique interdit est très important.
Les électrons de la bande de valance sont étroitement liés aux atomes.
La valeur de l'écart d'énergie interdit pour un isolant sera de 10eV.
Pour certains isolants, à mesure que la température augmente, ils peuvent montrer une certaine conduction.
La résistivité d'un isolant sera de l'ordre de 107 ohm-mètre.

Semi-conducteurs

Les semi-conducteurs sont de tels matériaux dans lesquels l'écart d'énergie interdit est petit et la conduction a lieu si une énergie externe est appliquée. Exemples: silicium, germanium. La figure suivante montre la structure des bandes d'énergie dans les semi-conducteurs.

Caractéristiques

Voici les caractéristiques des semi-conducteurs.

Le fossé énergétique interdit est très faible.
L'écart interdit pour Ge est de 0,7 eV alors que pour Si est de 1,1 eV.
Un semi-conducteur n'est en fait ni un isolant, ni un bon conducteur.
Lorsque la température augmente, la conductivité d'un semi-conducteur augmente.
La conductivité d'un semi-conducteur sera de l'ordre de 102 mho-mètre.

Conducteurs

Les conducteurs sont de tels matériaux dans lesquels l'écart d'énergie interdit disparaît lorsque la bande de valence et la bande de conduction deviennent très proches au point de se chevaucher. Exemples: cuivre, aluminium. La figure suivante montre la structure des bandes d'énergie dans les conducteurs.

Caractéristiques

Voici les caractéristiques des conducteurs.

Il n'existe aucun espace interdit dans un chef d'orchestre.
La bande de cantonnière et la bande de conduction se chevauchent.
Les électrons libres disponibles pour la conduction sont nombreux.
Une légère augmentation de la tension augmente la conduction.
Il n'y a pas de concept de formation de trous, car un flux continu d'électrons contribue au courant.

Termes importants

Il est nécessaire de discuter ici de quelques termes importants avant de passer aux chapitres suivants.

Actuel

C'est simplement le flux d'électrons. Un flux continu d'électrons ou de particules chargées peut être appelé courant. Il est indiqué parI ou i. Il est mesuré enAmperes. Cela peut être un courant alternatif AC ou un courant continu DC.

Tension

C'est la différence de potentiel. Lorsqu'il se produit une différence de potentiel, entre deux points, on dit qu'il y a une différence de tension, mesurée entre ces deux points. Il est indiqué parV. Il est mesuré enVolts.

La résistance

C'est la propriété de s'opposer au flux d'électrons. La possession de cette propriété peut être qualifiée de résistivité. Cela sera discuté plus tard en détail.

Loi d'Ohm

Avec les termes discutés ci-dessus, nous avons une loi standard, qui est très cruciale pour le comportement de tous les composants électroniques, appelée loi d'Ohm. Ceci indique la relation entre le courant et la tension dans un conducteur idéal.

According to Ohm’s law, the potential difference across an ideal conductor is proportional to the current through it.

$$V\:\alpha\:\:I$$

Un conducteur idéal n'a aucune résistance. Mais en pratique, chaque conducteur a une certaine résistance en lui. Lorsque la résistance augmente, la chute de potentiel augmente également et donc la tension augmente.

Par conséquent the voltage is directly proportional to the resistance it offers.

$$V\:\alpha\:\:R$$

$$V = IR $$

Mais le current is inversely proportional to the resistance.

$$V\:\alpha\:\:I\:\alpha\:\:\frac{1}{R}$$

$$I = V/R $$

Par conséquent, en pratique, une loi d'Ohm peut être définie comme -

According to Ohm’s law, the current flowing through a conductor is proportional to the potential difference across it, and is inversely proportional to the resistance it offers.

Cette loi est utile pour déterminer les valeurs de paramètres inconnus parmi les trois qui aident à analyser un circuit.

UNE semiconductorest une substance dont la résistivité se situe entre les conducteurs et les isolants. La propriété de résistivité n'est pas la seule qui décide d'un matériau comme semi-conducteur, mais elle a peu de propriétés comme suit.

Les semi-conducteurs ont une résistivité inférieure à celle des isolants et supérieure à celle des conducteurs.
Les semi-conducteurs ont un coefficient de température négatif. La résistance dans les semi-conducteurs, augmente avec la diminution de la température et vice versa.
Les propriétés conductrices d'un semi-conducteur changent lorsqu'une impureté métallique appropriée y est ajoutée, ce qui est une propriété très importante.

Les dispositifs à semi-conducteurs sont largement utilisés dans le domaine de l'électronique. Le transistor a remplacé les tubes à vide encombrants, à partir desquels la taille et le coût des appareils ont été réduits et cette révolution n'a cessé d'augmenter son rythme menant aux nouvelles inventions comme l'électronique intégrée. L'illustration suivante montre la classification des semi-conducteurs.

Conduction dans les semi-conducteurs

Après avoir eu quelques connaissances sur les électrons, nous avons appris que la coque la plus externe a le valence electronsqui sont vaguement attachés au noyau. Un tel atome, ayant des électrons de valence lorsqu'il est rapproché de l'autre atome, les électrons de valence de ces deux atomes se combinent pour former "Electron pairs». Cette liaison n'est pas si forte et donc c'est unCovalent bond.

Par exemple, un atome de germanium a 32 électrons. 2 électrons dans la première orbite, 8 dans la deuxième orbite, 18 dans la troisième orbite, tandis que 4 dans la dernière orbite. Ces 4 électrons sont des électrons de valence de l'atome de germanium. Ces électrons ont tendance à se combiner avec les électrons de valence des atomes adjacents, pour former les paires d'électrons, comme le montre la figure suivante.

Création du trou

En raison de l'énergie thermique fournie au cristal, certains électrons ont tendance à quitter leur place et à rompre les liaisons covalentes. Ces liaisons covalentes rompues entraînent des électrons libres qui errent au hasard. Mais lemoved away electrons crée un espace vide ou une valence derrière, qui est appelé comme un hole.

Ce trou qui représente un électron manquant peut être considéré comme une charge positive unitaire tandis que l'électron est considéré comme une charge négative unitaire. Les électrons libérés se déplacent au hasard, mais lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, ces électrons se déplacent dans la direction opposée au champ appliqué. Mais les trous créés en raison de l'absence d'électrons, se déplacent dans la direction du champ appliqué.

Courant de trou

On comprend déjà que lorsqu'une liaison covalente est rompue, un trou est créé. En fait, il existe une forte tendance du cristal semi-conducteur à former une liaison covalente. Ainsi, un trou n'a pas tendance à exister dans un cristal. Ceci peut être mieux compris par la figure suivante, montrant un réseau cristallin semi-conducteur.

Un électron, lorsqu'il est déplacé d'un endroit A, un trou se forme. En raison de la tendance à la formation d'une liaison covalente, un électron de B est déplacé vers A. Maintenant, encore une fois pour équilibrer la liaison covalente en B, un électron est déplacé de C vers B. Cela continue à construire un chemin. Ce mouvement de trou en l'absence de champ appliqué est aléatoire. Mais lorsque le champ électrique est appliqué, le trou dérive le long du champ appliqué, ce qui constitue lehole current. C'est ce qu'on appelle un courant de trou mais pas un courant d'électrons car le mouvement des trous contribue au flux de courant.

Les électrons et les trous en mouvement aléatoire peuvent se rencontrer pour former des paires. Cette recombinaison entraîne un dégagement de chaleur, qui rompt une autre liaison covalente. Lorsque la température augmente, le taux de génération d'électrons et de trous augmente, donc le taux de recombinaison augmente, ce qui entraîne une augmentation des densités d'électrons et de trous. En conséquence, la conductivité du semi-conducteur augmente et la résistivité diminue, ce qui signifie le coefficient de température négatif.

Semi-conducteurs intrinsèques

On dit qu'un semi-conducteur dans sa forme extrêmement pure est un intrinsic semiconductor. Les propriétés de ce semi-conducteur pur sont les suivantes -

Les électrons et les trous sont uniquement créés par excitation thermique.
Le nombre d'électrons libres est égal au nombre de trous.
La capacité de conduction est faible à température ambiante.

Afin d'augmenter la capacité de conduction du semi-conducteur intrinsèque, il est préférable d'ajouter des impuretés. Ce processus d'ajout d'impuretés est appeléDoping. Or, ce semi-conducteur intrinsèque dopé est appelé semi-conducteur extrinsèque.

Se doper

Le processus d'ajout d'impuretés aux matériaux semi-conducteurs est appelé dopage. Les impuretés ajoutées sont généralement des impuretés pentavalentes et trivalentes.

Pentavalent Impurities

le pentavalentles impuretés sont celles qui ont cinq électrons de valence dans l'orbite la plus externe. Exemple: Bismuth, Antimoine, Arsenic, Phosphore
L'atome pentavalent est appelé comme un donor atom car il donne un électron à la bande de conduction de l'atome de semi-conducteur pur.

Trivalent Impurities

le trivalentles impuretés sont celles qui ont trois électrons de valence dans l'orbite la plus externe. Exemple: gallium, indium, aluminium, bore
L'atome trivalent est appelé comme un acceptor atom car il accepte un électron de l'atome semi-conducteur.

Semi-conducteur extrinsèque

Un semi-conducteur impur, qui est formé par dopage d'un semi-conducteur pur est appelé comme un extrinsic semiconductor. Il existe deux types de semi-conducteurs extrinsèques en fonction du type d'impureté ajoutée. Ce sont des semi-conducteurs extrinsèques de type N et des semi-conducteurs extrinsèques de type P.

Semi-conducteur extrinsèque de type N

Une petite quantité d'impureté pentavalente est ajoutée à un semi-conducteur pur pour donner un semi-conducteur extrinsèque de type N. L'impureté ajoutée a 5 électrons de valence.

Par exemple, si un atome d'arsenic est ajouté à l'atome de germanium, quatre des électrons de valence se fixent avec les atomes de Ge tandis qu'un électron reste sous forme d'électrons libres. Ceci est comme illustré dans la figure suivante.

Tous ces électrons libres constituent un courant d'électrons. Par conséquent, l'impureté, lorsqu'elle est ajoutée à un semi-conducteur pur, fournit des électrons pour la conduction.

Dans les semi-conducteurs extrinsèques de type N, comme la conduction a lieu à travers des électrons, les électrons sont des porteurs majoritaires et les trous sont des porteurs minoritaires.
Comme il n'y a pas d'addition de charges positives ou négatives, les électrons sont électriquement neutres.
Lorsqu'un champ électrique est appliqué à un semi-conducteur de type N, auquel une impureté pentavalente est ajoutée, les électrons libres se déplacent vers l'électrode positive. Ceci est appelé conductivité négative ou de type N.

Semi-conducteur extrinsèque de type P

Une petite quantité d'impureté trivalente est ajoutée à un semi-conducteur pur pour donner un semi-conducteur extrinsèque de type P. L'impureté ajoutée a 3 électrons de valence. Par exemple, si un atome de bore est ajouté à l'atome de germanium, trois des électrons de valence se fixent avec les atomes de Ge, pour former trois liaisons covalentes. Mais, un électron de plus dans le germanium reste sans former de liaison. Comme il ne reste aucun électron dans le bore pour former une liaison covalente, l'espace est traité comme un trou. Ceci est comme illustré dans la figure suivante.

L'impureté de bore lorsqu'elle est ajoutée en petite quantité, fournit un certain nombre de trous qui aident à la conduction. Tous ces trous constituent un courant de trou.

Dans le semi-conducteur extrinsèque de type P, comme la conduction a lieu à travers des trous, les trous sont des porteurs majoritaires tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires.
L'impureté ajoutée ici fournit des trous appelés acceptors, car ils acceptent les électrons des atomes de germanium.
Le nombre de trous mobiles restant égal au nombre d'accepteurs, le semi-conducteur de type P reste électriquement neutre.
Lorsqu'un champ électrique est appliqué à un semi-conducteur de type P, auquel une impureté trivalente est ajoutée, les trous se déplacent vers l'électrode négative, mais avec un rythme plus lent que les électrons. C'est ce qu'on appelle la conductivité de type P.
Dans cette conductivité de type P, les électrons de valence se déplacent d'une liaison covalente à une autre, contrairement au type N.

Pourquoi le silicium est-il préféré dans les semi-conducteurs?

Parmi les matériaux semi-conducteurs comme le germanium et le silicium, le matériau largement utilisé pour la fabrication de divers composants électroniques est Silicon (Si). Le silicium est préféré au germanium pour de nombreuses raisons telles que -

La bande interdite d'énergie est de 0,7ev, alors qu'elle est de 0,2ev pour le germanium.
La génération de paire thermique est plus petite.
La formation d'une couche de SiO2 est facile pour le silicium, ce qui aide à la fabrication de nombreux composants avec la technologie d'intégration.
Si se trouve facilement dans la nature que Ge.
Le bruit est moindre dans les composants constitués de Si que dans Ge.

Par conséquent, le silicium est utilisé dans la fabrication de nombreux composants électroniques, qui sont utilisés pour fabriquer différents circuits à des fins diverses. Ces composants ont des propriétés individuelles et des utilisations particulières.

Les principaux composants électroniques comprennent: - Résistances, résistances variables, condensateurs, condensateurs variables, inductances, diodes, diodes tunnel, diodes Varactor, transistors, BJT, UJT, FET, MOSFET, LDR, LED, cellules solaires, thermistance, varistance, transformateur, interrupteurs , relais, etc.

L'effet Hall a été nommé d'après Edwin Hall, son découvreur. Ceci est un peu similaire à la règle de la main droite de Fleming. Lorsqu'un conducteur porteur de courantI est placé dans un champ magnétique transversal B, un champ électrique E est induite dans le conducteur perpendiculairement aux deux I et B. Ce phénomène est appelé commeHall Effect.

Explication

Lorsqu'un conducteur porteur de courant est placé dans un champ magnétique transversal, ce champ magnétique exerce alors une certaine pression sur les électrons qui empruntent un chemin courbe pour continuer leur voyage. Le conducteur avec l'énergie appliquée est illustré dans la figure suivante. Le champ magnétique est également indiqué.

Au fur et à mesure que les électrons traversent le conducteur qui se trouve dans un champ magnétique B, les électrons subissent une force magnétique. Cette force magnétique amènera les électrons à se déplacer plus près d'un côté que de l'autre. Cela crée une charge négative d'un côté et une charge positive de l'autre, comme le montre la figure suivante.

Cette séparation de charge créera une différence de tension connue sous le nom de Hall Voltage or Hall EMF. La tension s'accumule jusqu'à ce que le champ électrique produise une force électrique sur la charge qui est égale et opposée à la force magnétique. Cet effet est connu sous le nom deHall Effect.

$$\overrightarrow{F_{magnetic}}\:\:=\:\:\overrightarrow{F_{Electric}}\:\:=\:\:q\:\:\overrightarrow{V_{D}}\:\:\overrightarrow{B}\:\:=\:\:q\:\:\overrightarrow{E_{H}}$$

V _D est la vitesse que chaque électron connaît

$\overrightarrow{E_{H}}\:\:=\:\:\overrightarrow{V_{D}}\:\:\overrightarrow{B}\:\:$ Puisque V = Ed

Où q = quantité de charge

$\overrightarrow{B}$ = le champ magnétique

$\overrightarrow{V_{D}}$ = la vitesse de dérive

$\overrightarrow{E_{H}}$ = l'effet électrique Hall

d = distance entre les plans dans un conducteur (largeur du conducteur)

$$V_{H}\:\:=\:\:\varepsilon_{H}\:\:=\:\:\overrightarrow{E_{H}}\:\:d\:\:=\:\:\overrightarrow{V_{D}}\:\:\overrightarrow{B}\:\:d$$

$$\varepsilon_{H}\:\:=\:\:\overrightarrow{V_{D}}\:\:\overrightarrow{B}\:\:d$$

C'est le Hall EMF

Les usages

L'effet Hall est utilisé pour obtenir des informations concernant le type de semi-conducteur, le signe des porteurs de charge, pour mesurer la concentration d'électrons ou de trous et la mobilité. Là par, on peut également savoir si le matériau est un conducteur, un isolant ou un semi-conducteur. Il est également utilisé pour mesurer la densité de flux magnétique et la puissance d'une onde électromagnétique.

Types de courants

En ce qui concerne les types de courants dans les semi-conducteurs, deux termes doivent être discutés. Elles sontDiffusion Current et Drift Current.

Courant de diffusion

Lors du dopage, il se produit une différence de concentration d'électrons et de trous. Ces électrons et ces trous ont tendance à se diffuser d'une concentration plus élevée de densité de charge à un niveau de concentration inférieur. Comme ce sont des porteurs de charge, ils constituent un courant appelédiffusion current.

Pour connaître cela en détail, considérons un matériau de type N et un matériau de type P.

Le matériau de type N a des électrons comme porteurs majoritaires et peu de trous comme porteurs minoritaires.
Le matériau de type P a des trous comme porteurs majoritaires et peu d'électrons comme porteurs minoritaires.

Si ces deux matériaux sont trop rapprochés l'un de l'autre pour se joindre, alors peu d'électrons de la bande de valence du matériau de type N, ont tendance à se déplacer vers le matériau de type P et peu de trous de la bande de valence du matériau de type P, ont tendance à se déplacer vers Matériau de type N. La région entre ces deux matériaux où cette diffusion a lieu, est appelée commeDepletion region.

Par conséquent, le courant formé en raison de la diffusion de ces électrons et trous, sans l'application d'aucune sorte d'énergie externe, peut être appelé Diffusion Current.

Courant de dérive

Le courant formé en raison de la dérive (mouvement) des particules chargées (électrons ou trous) due au champ électrique appliqué, est appelé Drift Current. La figure suivante explique le courant de dérive, si le champ électrique appliqué fait la différence.

La quantité de courant dépend de la charge appliquée. La largeur de la région d'épuisement est également affectée par ce courant de dérive. Pour faire fonctionner un composant dans un circuit actif, ce courant de dérive joue un rôle important.

Résister est le mot qui signifie «s'opposer». Resistanceest la propriété de s'opposer au flux d'électrons, dans un conducteur ou un semi-conducteur. Une résistance est un composant électronique qui a la propriété de résistance.

Symbole et unités

Le symbole d'une résistance est illustré ci-dessous.

Les unités de résistance sont Ohms, qui est indiqué par Ω (oméga).

La formule de la résistance est

R = V/I

Où V est la tension et Iest courant. Il serait vraiment difficile de fabriquer les résistances avec chaque valeur. Par conséquent, peu de valeurs sont choisies et les résistances de telles valeurs sont uniquement fabriquées. Celles-ci sont appelées «Preferred Values». En pratique, les résistances avec des valeurs proches sont choisies pour correspondre aux applications requises. Voici à quoi ressemble une résistance pratique -

Code de couleurs

Un processus appelé color codingest utilisé pour déterminer la valeur de la résistance d'une résistance, comme le montre la figure ci-dessus. Une résistance est revêtue de quatre bandes de couleur où chaque couleur détermine une valeur particulière. Le tableau ci-dessous montre une liste de valeurs que chaque couleur indique.

COULEUR	CHIFFRE	MULTIPLICATEUR	TOLÉRANCE
Noir	0	10 ⁰ = 1
marron	1	10 ¹ = 10	1
rouge	2	10 ² = 100	2
Orange	3	10 ³ = 1 000
Jaune	4	10 ⁴ = 10 000
vert	5	10 ⁵ = 100 000	0,5
Bleu	6	10 ⁶ = 1000000	0,25
Violet	sept	10 ⁷ = 10 000 000	0,1
gris	8	10 ⁸ = 100000000
blanc	9	10 ⁹ = 1000000000
Or		10 ^-1 = 0,1	5
argent		10 ^-2 = 0,01	dix
(aucun)			20

Les deux premières bandes colorées indiquent le premier et le deuxième chiffre de la valeur et la troisième bande de couleur représente le multiplicateur (nombre de zéros ajoutés). La quatrième bande de couleur indique la valeur de tolérance.

Toleranceest la plage de valeurs jusqu'à laquelle une résistance peut résister sans être détruite. C'est un facteur important. La figure suivante montre comment la valeur d'une résistance est déterminée par un code couleur.

Les cinq résistances de bande de couleur sont fabriquées avec une tolérance de 2% et 1% et également pour d'autres résistances de haute précision. Dans ces cinq résistances de bande, les trois premières bandes représentent des chiffres, la quatrième indique le multiplicateur et la cinquième représente la tolérance.

Prenons un exemple pour comprendre le processus de codage couleur.

Example 1 - Déterminez la valeur d'une résistance avec un code couleur jaune, bleu, orange et argent.

Solution- La valeur du jaune est 4, le bleu est 6, l'orange est 3 qui représente le multiplicateur. L'argent est ± 10 qui est la valeur de tolérance.

D'où la valeur de la résistance est 46 × 10 ³ = 46 kΩ

La valeur de résistance maximale pour cette résistance est

46kΩ ou 46000Ω + 10% = 46000 + 4600 = 50600Ω = 50,6kΩ

La valeur de résistance minimale pour cette résistance est

46kΩ ou 46000Ω - 10% = 46000 - 4600 = 41400Ω = 41,4kΩ

Après avoir parcouru différents détails concernant les résistances, nous avons quelques termes à apprendre. Nous devons également gérer différents comportements d'une résistance pour quelques types de connexions.

Termes importants

Il y a quelques termes dont nous devons discuter avant d'entrer dans le type de résistances que nous avons. Il faut se familiariser avec ces termes à ce stade et les comprendre à mesure que nous progressons.

La résistance

La résistance est la propriété d'une résistance qui s'oppose au flux de courant. Lorsqu'un courant alternatif traverse une résistance, il se produit une chute de tension en phase avec le courant.

Indication - R
Unités - Ohms
Symbole - Ω

Outre la résistance, il existe d'autres termes importants, appelés réactance et impédance.

Réactance

La résistance offerte au courant alternatif en raison des capacités et inductances présentes dans le circuit, peut être comprise comme une réactance. Lorsque le courant alternatif passe par une réactance pure, il se produit une chute de tension déphasée de 90 ° avec le courant.

En fonction de la phase, c'est-à-dire + 90 ° ou -90 °, la réactance peut être qualifiée de réactance inductive ou de réactance capacitive.

Indication - X
Unités - Ohms
Symbole - Ω

Impédance

L'impédance est la résistance effective au courant alternatif résultant des effets combinés de la résistance ohmique et de la réactance. Lorsque le courant alternatif passe par une impédance, une chute de tension se produit qui est quelque part entre 0 ° et 90 ° déphasé avec le courant.

Indication - I
Unités - Ohms
Symbole - Ω

Conductance

C'est la capacité d'un matériau à conduire l'électricité. C'est la réciproque de la résistance.

Indication - G
Unités - Mhos
Symbole - ℧

Une résistance lorsqu'elle est connectée à un circuit, cette connexion peut être en série ou en parallèle. Dites-nous maintenant ce qu'il adviendra des valeurs totales de courant, de tension et de résistance s'ils sont également connectés en série, lorsqu'ils sont connectés en parallèle.

Résistances en série

Observons ce qui se passe, lorsque peu de résistances sont connectées en série. Considérons trois résistances de valeurs différentes, comme le montre la figure ci-dessous.

La résistance

La résistance totale d'un circuit ayant des résistances série est égale à la somme des résistances individuelles. Cela signifie que dans la figure ci-dessus, il y a trois résistances ayant respectivement les valeurs 1KΩ, 5KΩ et 9KΩ.

La valeur de résistance totale du réseau de résistances est -

$$R\:\:=\:\:R_{1}\:+\:R_{2}\:+\:R_{3}$$

Ce qui signifie que 1 + 5 + 9 = 15KΩ est la résistance totale.

Où R ₁ est la résistance de la 1 ^ère résistance, R ₂ est la résistance de la 2 ^ème résistance et R ₃ est la résistance de la 3 ^ème résistance dans le réseau de résistances ci-dessus.

Tension

La tension totale qui apparaît à travers un réseau de résistances en série est l'addition de chutes de tension à chaque résistance individuelle. Dans la figure ci-dessus, nous avons trois résistances différentes qui ont trois valeurs différentes de chutes de tension à chaque étage.

Tension totale qui apparaît à travers le circuit -

$$V\:\:=\:\:V_{1}\:+\:V_{2}\:+\:V_{3}$$

Ce qui signifie que 1v + 5v + 9v = 15v est la tension totale.

Actuel

La quantité totale de courant qui traverse un ensemble de résistances connectées en série est la même à tous les points du réseau de résistances. Par conséquent, le courant est le même 5A lorsqu'il est mesuré à l'entrée ou en tout point entre les résistances ou même à la sortie.

Courant à travers le réseau -

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:=\:I_{2}\:=\:I_{3}$$

Ce qui signifie que le courant à tous les points est de 5A.

Résistances en parallèle

Observons ce qui se passe, lorsque peu de résistances sont connectées en parallèle. Considérons trois résistances de valeurs différentes, comme le montre la figure ci-dessous.

La résistance

La résistance totale d'un circuit ayant des résistances parallèles est calculée différemment de la méthode de réseau de résistances en série. Ici, la valeur réciproque (1 / R) des résistances individuelles est ajoutée à l'inverse de la somme algébrique pour obtenir la valeur de résistance totale.

La valeur de résistance totale du réseau de résistances est -

$$\frac{1}{R}\:\:=\:\:\frac{1}{R_{1}}\:\:+\:\:\frac{1}{R_{2}}\:\:+\frac{1}{R_{3}}$$

Par exemple, si les valeurs de résistance de l'exemple précédent sont prises en compte, ce qui signifie R ₁ = ₁ KΩ, R ₂ = 5 KΩ et R ₃ = 9 KΩ. La résistance totale du réseau de résistances en parallèle sera -

$$\frac{1}{R}\:\:=\:\:\frac{1}{1}\:\:+\:\:\frac{1}{5}\:\:+\frac{1}{9}$$

$$=\:\:\frac{45\:\:+\:\:9\:\:+\:\:5}{45}\:\:=\:\:\frac{59}{45}$$

$$R\:\:=\:\:\frac{45}{59}\:\:=\:\:0.762K\Omega\:\:=\:\:76.2\Omega$$

De la méthode que nous avons pour calculer la résistance parallèle, nous pouvons dériver une équation simple pour un réseau parallèle à deux résistances. C'est -

$$R\:\:=\:\:\frac{R_{1}\:\:\times\:\:R_{2}}{R_{1}\:\:+\:\:R_{2}}\:$$

Tension

La tension totale qui apparaît sur un réseau de résistances parallèles est la même que les chutes de tension à chaque résistance individuelle.

La tension qui apparaît à travers le circuit -

$$V\:\:=\:\:V_{1}\:=\:V_{2}\:=\:V_{3}$$

Où V ₁ est la chute de tension de la 1 ^ère résistance, V ₂ est la chute de tension de la 2 ^ème résistance et V ₃ est la chute de tension de la 3 ^ème résistance dans le réseau de résistances ci-dessus. Par conséquent, la tension est la même en tous les points d'un réseau de résistances en parallèle.

Actuel

La quantité totale de courant entrant dans un réseau résistif parallèle est la somme de tous les courants individuels circulant dans toutes les branches parallèles. La valeur de résistance de chaque branche détermine la valeur du courant qui la traverse. Le courant total à travers le réseau est

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:+\:I_{2}\:+\:I_{3}$$

Où I ₁ est le courant traversant la 1 ^ère résistance, I ₂ est le courant traversant la 2 ^ème résistance et I ₃ est le courant traversant la 3 ^ème résistance dans le réseau de résistances ci-dessus. Par conséquent, la somme des courants individuels dans différentes branches donne le courant total dans un réseau résistif parallèle.

Une résistance est particulièrement utilisée comme charge dans la sortie de nombreux circuits. Si la charge résistive n'est pas du tout utilisée, une résistance est placée avant une charge. La résistance est généralement un composant de base dans n'importe quel circuit.

Il existe de nombreux types de résistances selon le type de matériau utilisé, le procédé de fabrication et leurs applications. La classification est indiquée ci-dessous.

Les résistances linéaires ont des caractéristiques VI linéaires et les résistances non linéaires ont des caractéristiques VI non linéaires. Les résistances non linéaires sont les résistances dont les caractéristiques de tension et de courant varient de manière non linéaire. Les valeurs de tension et de courant varient en fonction d'autres facteurs comme la température et la lumière, mais elles peuvent ne pas être linéaires.

Thermistance

Thermique signifie température. Dans cette résistance, la résistance varie avec la température. Si la chaleur augmente, la résistance diminue et vice versa. Ceci est utilisé à des fins de mesure et de contrôle.

Les principaux types de thermistances sont NTC et PTC.

NTC est Negative Temperature Coefficientet dans de tels dispositifs, la résistance diminue à mesure que la température augmente. Ceux-ci sont utilisés pour protéger les appareils contre les conditions de surtension.
PTC est Positive Temperature Coefficientet dans de tels dispositifs, la résistance augmente à mesure que la température augmente. Ceux-ci sont utilisés pour protéger les appareils contre les surintensités.

La figure suivante montre une thermistance NTC, avec son symbole.

Résistance photo

La photo signifie la lumière. Dans cette résistance, la résistance varie avec la lumière. À mesure que la lumière augmente, la résistance diminue et vice versa. Ceci est également utilisé à des fins de mesure et de contrôle. Il est également appelé commeLDR (Résistance dépendante de la lumière)

Varistances

La résistance d'une varistance varie avec la tension appliquée. Au fur et à mesure que la tension augmente, la résistance diminue et si la tension diminue, la résistance augmente. Il est également appelé commeVDR (Résistance dépendante de la tension).

Montage en surface

Ceux-ci sont très utilisés depuis l'introduction de la technologie de montage en surface. Ceux-ci peuvent être appeléschip resistors, ce qui signifie une couche résistive intégrée sur une puce céramique.

Ces résistances à montage en surface sont très petites par rapport aux résistances normales et occupent donc moins d'espace. Ils sont efficaces et dissipent moins de chaleur. L'invention de ces résistances a changé l'apparence d'un PCB (Printed Circuit Board) et réduit considérablement sa taille.

Les avantages des résistances à montage en surface sont:

Ceux-ci sont de taille compacte.
These are very stable.
They have good tolerance.
They are effective in reducing heat dissipation.

The following figure shows the images of surface mount resistors.

A Linear resistor is one whose resistance doesn’t vary with the flow of current through it. The current through it, will always be proportional to the voltage applied across it. Linear resistors are further classified as Fixed and Variable resistors.

Variable Resistors

Variable resistors are those whose values can be varied manually, according to the requirement. A particular value of resistance is chosen from a range of resistance values, with the help of a shaft connected. The symbol of a variable resistor is as shown below.

These resistors are better understood with the help of the classification we have. Variable resistors are further divided into Potentiometers, Rheostats and Trimmers.

Potentiometer

A Potentiometer is simply called as a Pot. This is a three-terminal resistor having a shaft which slides or rotates. This shaft when operated forms an adjustable voltage divider. The following figure shows an image of a Potentiometer.

A potentiometer also measures the potential difference (voltage) in a circuit. A path of resistive material with resistance of low to high value is laid internally and a wiper is placed so that it connects the resistive material to the circuit. This is mostly used as a volume controller in TV sets and Music systems.

Rheostat

A Rheostat can be simply called as a Wire wound resistor. A Resistive wire is wound around an insulating ceramic core tightly. A Wiper slides over these windings. One connection is made to one end of the resistive wire and the second connection is made to the wiper or the sliding contact, to obtain the desired resistance.

The Rheostat is used to control current. These are mostly used in the speed control of heavy motors. The resistance obtained by these is in the order of kilo ohms. Rheostats are mostly available as single tube and double tube rheostats, as shown in the following figure.

As a variable resistance they are often used for tuning and calibration in circuits. Now-a-days, the usage of rheostats was replaced by switching electronic devices, as rheostats have lower efficiency.

Trimmer

Trimmer is both a variable resistor and a potentiometer (measures potential difference). This Trimmer Potentiometer is, in short called as Trim Pot. If these are used as variable resistors, then they are called as Preset Resistors.

These trim pots are of different types such as single turn or multi turn. These are small variable resistors used for tuning and calibration. Their life span is shorter than other variable resistors.

Fixed resistors are one type of linear resistors. A resistor is said to be a fixed resistor, if its value is fixed. The value of fixed resistor can’t be varied like a variable resistor as its value is determined at the time of manufacturing itself. The following figures represent the symbol of a fixed resistor.

The fixed resistors are classified into different types, depending upon their manufacturing processes and the materials used in their manufacturing. The classification is as follows.

Carbon composition

The Carbon composition resistors are a blend of carbon particles, graphite and ceramic dust mixed with a binder substance like clay. This mixture is treated with high pressure and temperature. After the whole thing is molded in a case, the leads are fixed.

Thermal mass of the carbon composition resistor is higher so as to withstand high energy pulses.
These resistors have low stability and high noise which is a disadvantage.

The following figure shows an image of carbon composition resistor.

Carbon composition resistors are used in Surge protection, Current limiting, and High voltage power supplies.

Wire wound

A Wire wound resistor is formed by wounding a wire made up of a resistive material around a core. The metallic core acts as a non-conductive material while the resistive wire conducts, but with some resistance. The image of a wire wound resistor is as shown below.

Usually a nichrome wire or a manganin wire is used to wind the core because they offer high resistance. Whereas plastic, ceramic or glass is used for core.

Wire wound resistors are very accurate.
They work excellently for low resistance values and high power ratings.

These are the oldest type of fixed resistors, but are being used even now.

Thick Film

The film resistors have a resistive layer on a ceramic base, whose thickness defines the type they belong to. The thickness of resistive layer on thick film resistors is much higher than thin film resistors. Thick film resistors are produced by firing a special paste, which is a mixture of glass and metal oxides, onto the substrate.

There are three main types in thick film resistors like Fusible resistors, Cermet film resistors, and Metal oxide film resistors.

Fusible Resistors

The Fusible resistors are similar to wire wound resistors. But these resistors along with providing resistance, act as a fuse. The image of a fusible resistor is as shown below.

In this resistor, the current flows through a spring loaded connection, which is placed closely to the body of the resistor. The blob that is attached to the spring wire of the resistor takes the heat generated by the resistor due to the current flow. If this heat is increased, the attachment to the blob gets melted up and opens the connection.

Par conséquent, nous pouvons dire que ces résistances limitent le courant, mais si la puissance nominale du circuit dépasse une valeur spécifiée, ces résistances agissent comme un fusible pour ouvrir ou couper le circuit. La valeur de ces résistances est généralement inférieure à 10 Ohms. Ces résistances sont généralement utilisées dans les téléviseurs, les amplificateurs et autres circuits électroniques coûteux.

Résistances à film Cermet

Les résistances film Cermet sont les résistances film constituées d'un matériau spécial appelé Cermet. Cermet est un alliage composite fabriqué en combinantCeramic et MetAl. Cette combinaison offre les avantages de ces deux matériaux tels que la résistance à haute température et la résistance à l'usure de la céramique ainsi que la flexibilité et la conductivité électrique d'un métal.

Une couche de film métallique est enroulée autour d'un matériau résistif et est fixée dans un substrat en métal céramique ou en cermet. Des fils sont pris pour faciliter les connexions lors de la fixation sur un PCB. Ils offrent une stabilité élevée car la température ne peut pas affecter leurs performances.

Résistances à film d'oxyde métallique

Une résistance à film d'oxyde métallique est formée en oxydant une couche épaisse de chlorure d'étain sur une tige de verre chauffée, qui est un substrat. Ils ont une stabilité à haute température et peuvent être utilisés à des tensions élevées. Ces résistances ont un faible bruit de fonctionnement.

Les résistances à film d'oxyde métallique diffèrent des résistances à film métallique uniquement en ce qui concerne le type de film revêtu. Metal oxideest un composé métallique comme l'étain avec de l'oxygène pour former de l'oxyde d'étain, qui est enduit comme un film sur la résistance. La résistivité de cette résistance dépend de la quantité d'oxyde d'antimoine ajoutée autin oxide.

Couche mince

Les résistances à couche mince ont une couche résistive d'une largeur de 0,1 micromètre ou moins sur la base en céramique. Les résistances à couche mince ont un film métallique qui est déposé sous vide sur un substrat isolant.

Les résistances à couche mince sont plus précises et ont un meilleur coefficient de température et sont plus stables. Les résistances à couche mince sont en outre divisées en deux types tels que -

Résistances à film de carbone
Résistances à film métallique

Résistance à film de carbone

Une résistance à film de carbone est fabriquée en déposant une couche de film de carbone sur un substrat en céramique. Le film de carbone agit comme matériau résistif au courant et la substance céramique agit comme une substance isolante. Les capuchons métalliques sont fixés aux deux extrémités et les fils en cuivre sont tirés.

La figure suivante montre la construction d'une résistance à film de carbone.

Les principaux avantages de ces résistances sont leur stabilité élevée, leur large plage de fonctionnement, leur faible bruit et leur faible coût. Les résistances à couche de carbone sont les plus préférées aux résistances de composition de carbone en raison de leur faible bruit.

Résistances à couche métallique

Le revêtement de film fait la différence entre les résistances à film d'oxyde métallique et les résistances à film métallique. Un film mince de substance métallique telle que le nickel-chrome est utilisé pour revêtir la résistance dans une résistance à film métallique tandis qu'un film d'oxyde métallique comme l'oxyde d'étain est utilisé pour revêtir la résistance dans une résistance à oxyde métallique.

Les résistances à film métallique ont un coefficient de résistance à basse température, ce qui signifie que la résistance est moins affectée par la température.

Puissance

Lors de l'utilisation d'une résistance, si le flux de courant augmente, la résistance dissipe un peu de chaleur. Si cette valeur dépasse une certaine valeur critique, la résistance peut être endommagée. La puissance nominale d'une résistance est imprimée sur certaines résistances de valeur plus élevée afin d'éviter une telle situation.

La puissance est la quantité d'énergie électrique exprimée en watts. L'énergie électrique est le taux de transfert de l'énergie électrique.

Puissance P = VI = I²R

Un condensateur est un composant passif qui a la capacité de stocker l'énergie sous forme de différence de potentiel entre ses plaques. Il résiste à un changement soudain de tension. La charge est stockée sous forme de différence de potentiel entre deux plaques, qui forment pour être positive et négative en fonction de la direction de stockage de la charge.

Une région non conductrice est présente entre ces deux plaques qui est appelée dielectric. Ce diélectrique peut être le vide, l'air, le mica, le papier, la céramique, l'aluminium, etc. Le nom du condensateur est donné par le diélectrique utilisé.

Symbole et unités

Les unités standard pour la capacité sont les Farads. Généralement, les valeurs des condensateurs disponibles seront de l'ordre des micro-farads, des pico-farads et des nano-farads. Le symbole d'un condensateur est illustré ci-dessous.

La capacité d'un condensateur est proportionnelle à la distance entre les plaques et est inversement proportionnelle à la surface des plaques. De plus, plus la permittivité d'un matériau est élevée, plus la capacité sera élevée. lepermittivityd'un milieu décrit la quantité de flux électrique généré par unité de charge dans ce milieu. L'image suivante montre quelques condensateurs pratiques.

Lorsque deux plaques ayant la même surface A et une largeur égale sont placées parallèlement l'une à l'autre avec une séparation de la distance d, et si une certaine énergie est appliquée aux plaques, alors la capacité de ce condensateur à plaques parallèles peut être appelée -

$$C\:\:=\:\:\frac{\varepsilon_{0}\:\:\varepsilon_{r}\:\:d}{A}$$

Où

C = Capacité d'un condensateur

$\varepsilon_{0}$ = permittivité de l'espace libre

$\varepsilon_{r}$ = permittivité du milieu diélectrique

d = distance entre les plaques

A = aire des deux plaques conductrices

Avec une certaine tension appliquée, la charge se dépose sur les deux plaques parallèles du condensateur. Ce dépôt de charge se produit lentement et lorsque la tension aux bornes du condensateur est égale à la tension appliquée, la charge s'arrête, car la tension entrant est égale à la tension sortante.

Le taux de charge dépend de la valeur de la capacité. Plus la valeur de la capacité est élevée, plus le taux de changement de tension dans les plaques est lent.

Fonctionnement d'un condensateur

Un condensateur peut être compris comme un composant passif à deux bornes qui stocke de l'énergie électrique. Cette énergie électrique est stockée dans un champ électrostatique.

Au départ, les charges négatives et positives sur deux plaques du condensateur sont en équilibre. Il n'y a pas de tendance pour un condensateur à se charger ou se décharger. La charge négative est formée par l'accumulation d'électrons, tandis que la charge positive est formée par l'épuisement des électrons. Comme cela se produit sans aucune charge externe donnée, cet état estelectrostaticétat. La figure ci-dessous montre le condensateur avec des charges statiques.

L'accumulation et l'épuisement des électrons en fonction des cycles positifs et négatifs variables de l'alimentation en courant alternatif peuvent être compris comme un «flux de courant». Ceci est appelé commeDisplacement Current. La direction de ce flux de courant continue de changer car il s'agit du courant alternatif.

Chargement d'un condensateur

Lorsqu'une tension externe est donnée, la charge électrique est convertie en charge électrostatique. Cela se produit pendant la charge du condensateur. Le potentiel positif de l'alimentation attire les électrons de la plaque positive du condensateur, le rendant plus positif. Alors que le potentiel négatif de l'alimentation, force les électrons vers la plaque négative du condensateur, ce qui le rend plus négatif. La figure ci-dessous explique cela.

Au cours de ce processus de charge, les électrons se déplacent à travers l'alimentation CC mais pas à travers le dielectric qui est un insulator. Ce déplacement est important lorsque le condensateur commence à se charger mais diminue à mesure qu'il se charge. Le condensateur arrête de se charger lorsque la tension aux bornes du condensateur est égale à la tension d'alimentation.

Voyons ce qui arrive au diélectrique lorsque le condensateur commence à se charger.

Comportement diélectrique

Au fur et à mesure que les charges se déposent sur les plaques du condensateur, un champ électrostatique se forme. La force de ce champ électrostatique dépend de l'amplitude de la charge sur la plaque et de la permittivité du matériau diélectrique.Permittivity est la mesure du diélectrique dans quelle mesure il laisse passer les lignes électrostatiques.

Le diélectrique est en fait un isolant. Il a des électrons dans l'orbite la plus externe des atomes. Observons comment ils sont affectés. Lorsqu'il n'y a pas de charge sur les plaques, les électrons du diélectrique se déplacent en orbite circulaire. C'est comme le montre la figure ci-dessous.

Lorsque le dépôt de charge a lieu, les électrons ont tendance à se déplacer vers la plaque chargée positive, mais continuent à tourner comme indiqué sur la figure.

Si la charge augmente encore, les orbites s'étendent davantage. Mais s'il augmente encore, le diélectriquebreaks downcourt-circuiter le condensateur. Maintenant, le condensateur étant complètement chargé, il est prêt à se décharger. Il suffit que nous leur fournissions un chemin pour passer de la plaque négative à la plaque positive. Les électrons circulent sans alimentation externe car il y a trop d'électrons d'un côté et presque pas d'électrons de l'autre. Ce déséquilibre est ajusté par ledischarge du condensateur.

De plus, lorsqu'un chemin de décharge est trouvé, les atomes du matériau diélectrique ont tendance à retrouver leur valeur normale circular orbitet force donc les électrons à se décharger. Ce type de décharge permet aux condensateurs de fournir des courants élevés en peu de temps, tout comme dans un flash d'appareil photo.

Code de couleurs

Pour connaître la valeur d'un condensateur, il est généralement étiqueté comme ci-dessous -

n35 = 0,35nF ou 3n5 = 3,5nF ou 35n = 35nF et ainsi de suite.

Parfois, les marquages seront comme 100K, ce qui signifie k = 1000pF. La valeur sera alors 100 × 1000pF = 100nF.

Bien que ces marquages numériques soient utilisés de nos jours, un système de codage couleur international a été développé il y a longtemps pour comprendre les valeurs des condensateurs. Les indications de codage couleur sont exactement comme ci-dessous.

Couleur du bracelet	Chiffre A et B	Multiplicateur	Tolérance (t)> 10pf	Tolérance (t) <10pf	Coéfficent de température
Noir	0	× 1	± 20%	± 2,0 pF
marron	1	× 10	± 1%	± 0,1 pF	-33 × 10 ^-6
rouge	2	× 100	± 2%	± 0,25 pF	-75 × 10 ^-6
Orange	3	× 1 000	± 3%		-150 × 10 ^-6
Jaune	4	× 10 000	± 4%		-220 × 10 ^-6
vert	5	× 100 000	± 5%	± 0,5 pF	-330 × 10 ^-6
Bleu	6	× 1 000 000			-470 × 10 ^-6
Violet	sept				-750 × 10 ^-6
gris	8	× 0,01	+ 80%, -20%
blanc	9	× 0,1	± 10%	± 1,0 pF
Or		× 0,1	± 5%
argent		× 0,01	± 10%

Ces indications ont été utilisées pour identifier la valeur des condensateurs.

Dans ces cinq condensateurs de bande, les deux premières bandes représentent des chiffres, la troisième indique le multiplicateur, la quatrième pour la tolérance et la cinquième représente la tension. Prenons un exemple pour comprendre le processus de codage couleur.

Example 1 - Déterminez la valeur d'un condensateur avec un code couleur jaune, violet, orange, blanc et rouge.

Solution- La valeur du jaune est 4, le violet est 7, l'orange est 3 qui représente le multiplicateur. Le blanc est ± 10 qui est la valeur de tolérance. Le rouge représente la tension. Mais pour connaître la tension nominale, nous avons un autre tableau, à partir duquel la bande particulière à laquelle appartient ce condensateur doit être connue.

Par conséquent, la valeur du condensateur est 47nF, 10% 250v (tension pour la bande V)

Le tableau suivant montre comment la tension est déterminée en fonction des bandes auxquelles appartiennent les condensateurs.

Couleur du bracelet	Tension nominale (V)
	TYPE J	TYPE K	TYPE L	TYPE M	TYPE N
Noir	4	100		dix	dix
marron	6	200	100	1,6
rouge	dix	300	250	4	35
Orange	15	400		40
Jaune	20	500	400	6,3	6
vert	25	600		16	15
Bleu	35	700	630		20
Violet	50	800
gris		900		25	25
blanc	3	1000		2,5	3
Or		2000
argent

A l'aide de ce tableau, la tension nominale de chaque bande de condensateurs est connue en fonction de la couleur donnée. Le type de tension nominale indique également le type de condensateurs. Par exemple, ceux de TYPE J sont des condensateurs au tantale plongés, ceux de TYPE K sont des condensateurs de mica, ceux de TYPE L sont des condensateurs de polystyrène, ceux de TYPE M sont des condensateurs électrolytiques de bande 4 et ceux de TYPE N sont des condensateurs électrolytiques de bande 3. De nos jours, le codage couleur a été remplacé par une simple impression de la valeur des condensateurs comme mentionné précédemment.

Réactance capacitive

C'est un terme important. La réactance capacitive est l'opposition offerte par un condensateur au flux de courant alternatif, ou simplement au courant alternatif. Un condensateur résiste au changement du flux de courant et par conséquent, il montre une certaine opposition qui peut être appeléereactance, car la fréquence du courant d'entrée doit également être considérée avec la résistance qu'il offre.

Symbol: X_C

Dans un circuit purement capacitif, le courant I_C leads la tension appliquée de 90 °

Coefficient de température des condensateurs

Le changement maximal de Capacitanced'un condensateur, sur une plage de température spécifiée, peut être connu par le coefficient de température d'un condensateur. Il indique que lorsque la température dépasse un certain point, le changement de capacité d'un condensateur qui pourrait survenir est compris comme letemperature coefficient of capacitors.

Tous les condensateurs sont généralement fabriqués en considérant une température de référence de 25 ° C. Par conséquent, le coefficient de température des condensateurs est considéré pour les valeurs de températures supérieures et inférieures à cette valeur.

Dans un circuit, un condensateur peut être connecté en série ou en parallèle. Si un ensemble de condensateurs était connecté dans un circuit, le type de connexion de condensateur traite des valeurs de tension et de courant dans ce réseau.

Condensateurs en série

Observons ce qui se passe, lorsque peu de condensateurs sont connectés en série. Considérons trois condensateurs avec des valeurs différentes, comme le montre la figure ci-dessous.

Capacitance

Lorsque la capacité d'un réseau dont les condensateurs sont en série est considérée, l'inverse des capacités de tous les condensateurs, est ajouté pour obtenir l'inverse de la capacité totale. Pour obtenir cela plus clairement,

$$\frac{1}{C_{T}}\:\:=\:\:\frac{1}{C_{1}}\:\:+\:\:\frac{1}{C_{2}}\:\:+\:\:\frac{1}{C_{3}}$$

En suivant la même formule, si simplement deux condensateurs sont connectés en série, alors

$$C_{T}\:\:=\:\:\frac{C_{1}\:\:\times\:\:C_{2}}{C_{1}\:\:+\:\:C_{2}}$$

Où C ₁ est la capacité à travers le 1 ^er condensateur C ₂ est la capacité à travers le 2 ^ème condensateur et C ₃ est la capacité à travers la 3 ^ème condensateur dans le réseau ci - dessus.

Tension

La tension aux bornes de chaque condensateur dépend de la valeur des capacités individuelles. Ce qui signifie

$$V_{C1}\:\:=\:\:\frac{Q_{T}}{C_{1}}\:\:V_{C2}\:\:=\:\:\frac{Q_{T}}{C_{2}}\:\:V_{C3}\:\:=\:\:\frac{Q_{T}}{C_{3}}$$

La tension totale à travers le circuit des condensateurs en série,

$$V_{T}\:\:=\:\:V_{C1}\:\:+\:\:V_{C2}\:\:+\:\:V_{C3}$$

Où V _c1 est la tension aux bornes du 1 ^er condensateur, V _c2 est la tension aux bornes de la 2 ^ème condensateur et V _c3 est la tension aux bornes de la 3 ^ème condensateur dans le réseau ci - dessus.

Actuel

La quantité totale de courant qui traverse un ensemble de condensateurs connectés en série est la même à tous les points. Par conséquent, les condensateurs stockeront la même quantité de charge quelle que soit leur valeur de capacité.

Courant à travers le réseau,

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:\:=\:\:I_{2}\:\:=\:\:I_{3}$$

Où I ₁ est le courant traversant le 1 ^er condensateur, I ₂ est le courant à travers la 2 ^ème condensateur et I ₃ est le courant à travers la 3 ^ème condensateur dans le réseau ci - dessus.

Comme le courant est le même, le stockage de la charge est le même car toute plaque d'un condensateur obtient sa charge du condensateur adjacent et donc les condensateurs en série auront la même charge.

$$Q_{T}\:\:=\:\:Q_{1}\:\:=\:\:Q_{2}\:\:=\:\:Q_{3}$$

Condensateurs en parallèle

Observons ce qui se passe, lorsque peu de condensateurs sont connectés en parallèle. Considérons trois condensateurs avec des valeurs différentes, comme le montre la figure ci-dessous.

Capacitance

La capacité totale du circuit est l'équivalent de la somme des capacités individuelles des condensateurs du réseau.

$$C_{T}\:\:=\:\:C_{1}\:\:+\:\:C_{2}\:\:+\:\:C_{3}$$

Tension

La tension mesurée à la fin du circuit est same comme tension à travers tous les condensateurs connectés dans un circuit parallèle.

$$V_{T}\:\:=\:\:V_{1}\:\:=\:\:V_{2}\:\:=\:\:V_{3}$$

Actuel

Le courant total circulant est égal à la somme des courants traversant chaque condensateur connecté dans le réseau parallèle.

$$I_{T}\:\:=\:\:I_{1}\:\:+\:\:I_{2}\:\:+\:\:I_{3}$$

Il existe de nombreux types de condensateurs en fonction de leur fonction, du matériau diélectrique utilisé, de leur forme, etc. La classification principale se fait en fonction de condensateurs fixes et variables.

Types de condensateurs

La classification est indiquée dans la figure suivante.

La classification principale est exactement comme celle ci-dessus. Les condensateurs fixes sont ceux dont la valeur est fixe au moment de la fabrication elle-même et les condensateurs variables nous offrent la possibilité de faire varier la valeur de la capacité.

Condensateurs variables

Faites-nous savoir quelque chose sur les condensateurs variables dont la valeur change lorsque vous changez, soit electrically ou mechanically. Les condensateurs variables se composent en général d'ensembles entrelacés de plaques métalliques dans lesquelles l'une est fixe et l'autre variable. Ces condensateurs fournissent les valeurs de capacité de manière à varier entre10 to 500pF.

Le condensateur couplé illustré ici est une combinaison de deux condensateurs connectés ensemble. Un seul arbre est utilisé pour faire tourner les extrémités variables de ces condensateurs qui sont combinés en un seul. La ligne pointillée indique qu'ils sont connectés en interne.

Il existe de nombreuses utilisations de ces résistances variables telles que pour le réglage des circuits LC des récepteurs radio, pour l'adaptation d'impédance dans les antennes, etc. Les principaux types de condensateurs variables sont les condensateurs d'accord et les condensateurs Trimmer.

Condensateurs d'accord

Les condensateurs d'accord sont des types populaires de condensateurs variables. Ils contiennent un stator, un rotor, un châssis pour supporter le stator et un condensateur en mica. Les détails de construction d'un condensateur d'accord sont indiqués dans la figure suivante.

Le stator est une pièce fixe et le rotor tourne par le mouvement d'un arbre mobile. Les plaques du rotor lorsqu'elles sont déplacées dans les fentes du stator, elles se rapprochent pour former des plaques d'un condensateur. Lorsque les plaques de rotor reposent complètement dans les fentes du stator, la valeur de capacité est maximale et quand elles ne le sont pas, la valeur de capacité est minimale.

La figure ci-dessus montre un ganged tuning capacitorayant deux condensateurs d'accord connectés en groupe. C'est ainsi que fonctionne un condensateur d'accord. Ces condensateurs ont généralement des valeurs de capacité allant de quelques Pico Farads à quelques dizaines de Pico Farads. Ceux-ci sont principalement utilisés dans les circuits LC dans les récepteurs radio. Ceux-ci sont également appelés commeTuning Condensers.

Condensateurs ajustables

Les condensateurs ajustables sont variés à l'aide d'un tournevis. Les condensateurs ajustables sont généralement fixés dans un endroit où il n'est pas nécessaire de changer la valeur de la capacité, une fois fixée.

Il y a trois fils d'un condensateur ajustable, un connecté à une plaque fixe, un à rotatif et l'autre est commun. Le disque mobile est de forme semi-circulaire. Un condensateur ajustable ressemblerait à ceux de la figure suivante.

Il y a deux plaques conductrices parallèles présentes avec un diélectrique au milieu. En fonction de ce diélectrique utilisé, il existe des condensateurs d'ajustement d'air et des condensateurs d'ajustement en céramique. Les détails de construction d'un condensateur de réglage sont indiqués ci-dessous.

L'une des deux plaques est mobile, tandis que l'autre est fixe. Le matériau diélectrique est fixe. Lorsque la plaque mobile est déplacée, à l'opposé de la zone entre l'électrode mobile et fixe, alors la capacité peut être modifiée. La capacité sera plus élevée si la zone opposée s'agrandit, car les deux électrodes agissent comme deux plaques d'un condensateur.

Les condensateurs ajustables se fixent facilement sur un PCB (circuit imprimé) et sont principalement utilisés pour l'étalonnage de l'équipement.

Les condensateurs dont la valeur est fixe lors de la fabrication et ne peuvent pas être modifiés ultérieurement sont appelés Fixed Capacitors. La classification principale des condensateurs fixes se fait comme polarisée et non polarisée. Jetons un coup d'œil aux condensateurs non polarisés.

Condensateurs non polarisés

Ce sont les condensateurs qui ont no specific polarities, ce qui signifie qu'ils peuvent être connectés dans un circuit, de toute façon sans se soucier du placement du câble droit et du câble gauche. Ces condensateurs sont également appelésNon-Electrolytic Capacitors.

La classification principale des condensateurs non polarisés est effectuée comme indiqué dans la figure suivante.

Parmi les types de condensateurs, passons d'abord par les condensateurs céramiques.

Condensateurs en céramique

Les condensateurs courants utilisés parmi les types fixes sont les condensateurs en céramique. Les condensateurs céramiques sont des condensateurs fixes qui ontceramic material comme diélectrique.

Ces condensateurs céramiques sont en outre classés en classe 1 et classe 2 en fonction de leurs applications. Par exemple,Class1 a une stabilité élevée et fonctionne mieux pour les applications de circuits résonnants, tandis que class2 a un rendement élevé et donne le meilleur pour les applications de couplage.

Matériau céramique tubulaire creux ou plat tel que titanium dioxide et barium titanateest recouvert d'un dépôt de composé d'argent sur les deux parois, de sorte que les deux côtés agissent comme deux plaques de condensateur et que la céramique agit comme un diélectrique. Les fils sont tirés de ces deux surfaces et tout cet assemblage est encapsulé dans un revêtement étanche à l'humidité.

Les condensateurs céramiques modernes les plus souvent utilisés sont Multi-Layer Chip Capacitors (MLCC). Ces condensateurs sont fabriqués en technologie montée en surface et sont principalement utilisés en raison de leur petite taille. Celles-ci sont disponibles dans l'ordre de 1ηF à 100µF.

Condensateurs à film

Les condensateurs à film sont ceux qui ont une substance de film en tant que matériau diélectrique. Selon le type de film utilisé, ceux-ci sont classés commePaper et Metal film condensateurs.

Ces condensateurs à film sont tous deux des condensateurs diélectriques en papier alors qu'un condensateur en papier utilise un waxed papier tandis qu'un condensateur à film métallique utilise un metallizedpapier. La disposition est presque la même que celle illustrée ci-dessous.

Condensateurs papier

Les condensateurs en papier utilisent le papier comme matériau diélectrique. Deux fines feuilles de papier d'aluminium sont prises et placées entre de fines feuilles de papier ciré ou huilé. Ce papier agit comme un diélectrique. De nos jours, le papier est remplacé par du plastique.

Ces feuilles sont prises en sandwich et sont enroulées en une forme cylindrique et encapsulées dans une enceinte en plastique. Les pistes sont tirées. La figure suivante montre un exemple de condensateurs papier.

Les condensateurs en papier sont disponibles dans l'ordre de 0,001 µF à 2 µF et la tension nominale peut être aussi élevée que 2000 volts. Ces condensateurs sont utiles dans les applications haute tension et courant.

Condensateurs à film métallique

Les condensateurs à film métallique sont un autre type de condensateurs à film. Ceux-ci sont également appelés condensateurs à feuille métallique ou condensateurs à papier métallisé car le diélectrique utilisé ici est un papier enduit d'un film métallique.

Contrairement aux condensateurs en papier, un film d'aluminium ou de zinc est enduit sur un papier pour former un diélectrique dans ces condensateurs à film métallique. Au lieu de feuilles d'aluminium placées entre les papiers, le papier lui-même est directement enduit ici. Cela réduit la taille du condensateur.

Le revêtement en aluminium est préféré au revêtement de zinc afin to avoid destructiondu condensateur en raison de la réduction chimique. Les feuilles revêtues d'aluminium sont enroulées sous la forme d'un cylindre et des fils sont prélevés. Tout cela est encapsulé avec de la cire ou de la résine plastique pour protéger le condensateur. Ces condensateurs sont utiles danshigh voltage and current applications.

Autres condensateurs

Ce sont les condensateurs divers qui portent le nom des matériaux diélectriques utilisés. Ce groupe comprend les condensateurs au mica, les condensateurs à air, les condensateurs à vide et les condensateurs en verre, etc.

Condensateurs au mica

Les condensateurs au mica sont fabriqués en utilisant de fines feuilles de mica comme matériaux diélectriques. Tout comme les condensateurs en papier, de fines feuilles de métal sont prises en sandwich avec des feuilles de mica entre les deux. Enfin, les couches de tôles sont connectées aux deux extrémités et deux conducteurs sont formés. Ensuite, l'ensemble est enfermé dans une capsule en bakélite en plastique. L'image suivante montre à quoi ressemble un condensateur Mica.

Les condensateurs au mica sont disponibles dans la gamme de 50pF à 500pF. Les condensateurs Mica ont une tension de fonctionnement élevée jusqu'à 500 volts. Ce sont les condensateurs les plus couramment utilisés pour les circuits électroniques tels que les filtres à ondulation, les circuits résonants, les circuits de couplage et les émetteurs de diffusion RF à haute puissance et à courant élevé.

Condensateurs à air

Les condensateurs à air sont ceux avec air as dielectric. Les condensateurs à air les plus simples sont ceux avec des plaques conductrices comportant de l'air entre les deux. Cette construction est exactement la même que lavariable tuning capacitordiscuté ci-dessus. Ces condensateurs peuvent être fixes et variables également mais fixes sont très rarement utilisés car il en existe d'autres avec des caractéristiques supérieures.

Condensateurs à vide

Les condensateurs à vide utilisent high vacuum as dielectricau lieu de l'air ou d'un autre matériau. Ceux-ci sont également disponibles en modes fixe et variable. La construction de ces condensateurs est similaire à celle des tubes à vide. Ils sont principalement vus sous la forme d'un cylindre en verre contenant des cylindres concentriques entrelacés.

L'image suivante montre un condensateur à vide variable.

L'image suivante montre à quoi ressemble un condensateur à vide fixe -

Les condensateurs à vide variable sont disponibles dans une plage de 12pF à 5000pF et ils sont utilisés pour des applications haute tension telles que 5kV à 60kV. Ils sont utilisés dans les principaux équipements tels quehigh power broadcast transmitters, RF amplifiers et grand antenna tuners.

Condensateurs en verre

Les condensateurs en verre sont des condensateurs très exclusifs avec de nombreux avantages et applications. Comme tous les types ci-dessus, iciglassest la substance diélectrique. En plus du diélectrique en verre, des électrodes en aluminium sont également présentes dans ces condensateurs. L'encapsulation plastique se fait après avoir retiré les cordons. Les conducteurs peuvent être des conducteurs axiaux ou des conducteurs tubulaires.

Il existe de nombreux avantages d'un condensateur en verre tels que -

Le coefficient de température est faible.
Ce sont des condensateurs sans bruit.
Ils produisent une sortie de haute qualité avec de faibles pertes.
Ils ont la capacité de supporter des températures de fonctionnement élevées.
Ces condensateurs peuvent gérer de gros courants RF.

Il existe de nombreuses applications pour ces condensateurs en verre tels que -

Utilisé dans les circuits qui doivent être situés dans des zones à haute température.
Utilisé dans les circuits qui nécessitent un Q.
Utilisé dans les circuits de gestion de puissance élevée.
Utilisé pour les circuits nécessitant des tolérances élevées.

Les condensateurs polarisés sont ceux qui ont des polarités positives et négatives spécifiques. Lors de l'utilisation de ces condensateurs dans des circuits, il faut toujours veiller à ce qu'ils soient connectésperfect polarities. L'image suivante montre la classification des condensateurs polarisés.

Commençons la discussion avec les condensateurs électrolytiques.

Condensateurs électrolytiques

Les condensateurs électrolytiques sont les condensateurs qui indiquent par leur nom qu'un électrolyte y est utilisé. Ce sont des condensateurs polarisés qui ont une anode (+) et une cathode (-) avec des polarités particulières.

Un métal sur lequel insulating oxide layer formes par anodisation est appelé comme un Anode. Un solide ou non solideelectrolyte qui recouvre la surface de la couche d'oxyde, fonctionne comme un cathode. Les condensateurs électrolytiques ont beaucoup plusCapacitance-Voltage (CV) value que les autres, en raison de leur plus grande surface d'anode et de leur fine couche d'oxyde diélectrique.

Condensateurs électrolytiques en aluminium

Les condensateurs électrolytiques en aluminium sont les types les plus courants parmi les condensateurs électrolytiques. Dans ceux-ci, un purAluminum foil avec une surface gravée agit comme un Anode. Une fine couche de métal d'une épaisseur de quelques micromètres agit comme undiffusion barrier, qui est placé entre deux métaux pour se séparer électriquement. Par conséquent, la barrière de diffusion agit comme undielectric. leelectrolyte agit comme un cathode qui recouvre la surface rugueuse de la couche d'oxyde.

La figure suivante montre une image de différentes tailles de condensateurs électrolytiques en aluminium disponibles.

Selon l'électrolyte, il existe trois types de condensateurs électrolytiques en aluminium. Ils sont -

Condensateurs électrolytiques en aluminium humide (non solides)
Condensateurs électrolytiques en aluminium au dioxyde de manganèse (solides)
Condensateurs électrolytiques en aluminium polymère (solides)

Le principal avantage de ces condensateurs électrolytiques en aluminium est qu'ils ont low impedancevaleurs même à la fréquence du réseau et ils sont moins chers. Ceux-ci sont principalement utilisés dansPower supply circuits, SMPS (Alimentation à découpage) et DC-DC Converters.

Condensateurs électrolytiques au tantale

Ce sont un autre type de condensateurs électrolytiques dont anode est constitué de tantalum sur lequel un isolant très fin oxide layerest formé. Cette couche agit comme undielectric et le electrolyte agit comme une cathode qui recouvre la surface de la couche d'oxyde.

La figure suivante montre à quoi ressemblent les condensateurs au tantale.

Le tantale fournit une couche diélectrique à haute permittivité. Le tantale a une capacité élevée par volume et un poids inférieur. Mais ceux-ci sont plus coûteux que les condensateurs électrolytiques en aluminium, en raison de l'indisponibilité fréquente du tantale.

Condensateurs électrolytiques au niobium

Un condensateur électrolytique au niobium est l'autre type de condensateurs électrolytiques dans lequel un métal de niobium passivé ou du monoxyde de niobium est considéré comme une anode et une couche isolante de pentoxyde de niobium est ajoutée à l'anode, de sorte qu'elle agit comme un diélectrique. Un électrolyte solide est déposé sur la surface de la couche d'oxyde qui agit comme une cathode. La figure suivante montre à quoi ressemblent les condensateurs au niobium.

Les condensateurs au niobium sont couramment disponibles sous forme de condensateurs à puce SMD (Surface Mount Devices). Ceux-ci sont facilement insérés dans un PCB. Ces condensateurs doivent fonctionner dans des polarités parfaites. Tout type de tension inverse ou de courant d'ondulation supérieur à celui spécifié finira pardestroy the dielectric et le condensateur aussi.

Super condensateurs

Les condensateurs électrochimiques de haute capacité avec des valeurs de capacité beaucoup plus élevées que les autres condensateurs, sont appelés comme Super Capacitors. Ceux-ci peuvent être classés comme un groupe qui se situe entre les condensateurs électrolytiques et les batteries rechargeables. Ceux-ci sont également appelés commeUltra Capacitors.

Il existe de nombreux avantages avec ces condensateurs tels que -

Ils ont une valeur de capacité élevée.
Ils peuvent stocker et livrer la charge beaucoup plus rapidement.
Ils peuvent gérer plus de cycles de charge et de décharge.

Ces condensateurs ont de nombreuses applications telles que -

Ils sont utilisés dans les voitures, les bus, les trains, les ascenseurs et les grues.
Ils sont utilisés dans le freinage par récupération.
Ils sont utilisés pour la sauvegarde de la mémoire.

Les types de super condensateurs sont ceux à double couche, pseudo et hybrides.

Condensateurs à double couche

Les condensateurs à double couche sont des condensateurs électrostatiques. Le dépôt de charge se fait dans ces condensateurs selon le principe de la double couche.

Toutes les substances solides ont une charge négative sur la couche de surface lorsqu'elles sont éliminées dans un liquide.
Cela est dû au coefficient diélectrique élevé du liquide.
Tous les ions positifs se rapprochent de la surface du matériau solide pour former une peau.
Le dépôt d'ions positifs près du matériau solide se relâche avec la distance.
La charge créée à cette surface en raison du dépôt d'anions et de cations conduit à une certaine valeur de capacité.

Ce phénomène de double couche est également appelé double couche de Helmholtz. La figure ci-dessous explique la procédure du phénomène de double couche, lorsque le condensateur est chargé et lorsqu'il est déchargé.

Ces condensateurs sont simplement appelés condensateurs électriques à double couche (EDLC). Ils utilisent des électrodes de carbone pour réaliser la séparation de la charge entre la surface de l'électrode conductrice et l'électrolyte. Le carbone agit comme diélectrique et les deux autres comme anode et cathode. La séparation de charge est beaucoup plus petite que dans un condensateur conventionnel.

Pseudo condensateurs

Ces condensateurs suivent le electrochemicalprocessus de dépôt de charge. Ceci est également appelé commefaradaic process. Au niveau d'une électrode, lorsqu'une substance chimique réduit ou s'oxyde, un certain courant est généré. Au cours de ce processus, ces condensateurs stockent la charge électrique par transfert d'électrons entre l'électrode et l'électrolyte. C'est le principe de fonctionnement des pseudo condensateurs.

Ils se chargent beaucoup plus rapidement et stockent la charge autant qu'une batterie. Ils fonctionnent à un rythme plus rapide. Ceux-ci sont utilisés en tandem avec des batteries pour améliorer la durée de vie. Ceux-ci sont utilisés dans les applications de réseau pour gérer les fluctuations de puissance.

Condensateurs hybrides

Un condensateur hybride est une combinaison d'EDLC et de pseudo condensateur. Dans les condensateurs hybrides, du charbon actif est utilisé comme cathode et le matériau de carbone pré-dopé agit comme une anode. Le condensateur Li-ion est l'exemple courant de ce type. La figure suivante montre différents types de condensateurs hybrides.

Ils ont une tolérance élevée dans une large gamme de variations de température de -55 ° C à 200 ° C. Les condensateurs hybrides sont également utilisés dans les applications aéroportées. Bien que le coût soit élevé, ces condensateurs sont très fiables et compacts. Ceux-ci sont robustes et peuvent tolérer des chocs, des vibrations et des pressions extrêmes de l'environnement. Les condensateurs hybrides ont une densité d'énergie plus élevée et une puissance spécifique plus élevée que n'importe quel condensateur électrolytique.

Permettez-moi de vous présenter un autre élément important dans le domaine de l'électronique et de l'électricité, le Inductor. L'inductance est un composant passif à deux bornes qui stocke temporairement de l'énergie sous la forme d'un champ magnétique. Il est généralement appelé comme uncoil. La principale propriété d'un inducteur est qu'ilopposes any change in current.

Inducteur

Selon la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, lorsque le courant traversant un inducteur change, le champ magnétique variant dans le temps induit une tension dans le conducteur. Selon la loi de la lentille, la direction de la CEM induite s'oppose au changement de courant qui l'a créée. Par conséquent,induced EMF is opposite to the voltageappliqué à travers la bobine. C'est la propriété d'un inducteur.

La figure suivante montre à quoi ressemble un inducteur.

Une inductance bloque tout composant CA présent dans un signal CC. L'inducteur est parfois enroulé sur un noyau, par exemple un noyau de ferrite. Il ressemble alors à la figure ci-dessous.

La figure suivante montre un inducteur avec diverses pièces étiquetées.

Symboles

Les symboles des différents types d'inducteurs sont indiqués ci-dessous.

Stockage d'énergie

L'une des propriétés de base de l'électromagnétisme est que le courant, lorsqu'il traverse un inducteur, un champ magnétique est créé perpendiculairement au flux de courant. Cela ne cesse de s'accumuler. Il se stabilise à un moment donné, ce qui signifie que l'inductance ne s'accumulera pas après cela. Lorsque le courant cesse de circuler, le champ magnétique diminue.

Cette énergie magnétique est transformée en énergie électrique. Par conséquent, l'énergie y est stockée temporairement sous forme de champ magnétique.

Fonctionnement d'un inducteur

Selon la théorie de l'induction électromagnétique, tout courant électrique variable, circulant dans un conducteur, produit un champ magnétique autour de celui-ci, qui est perpendiculaire au courant. De plus, tout champ magnétique variable produit du courant dans le conducteur présent dans ce champ, alors que le courant est perpendiculaire au champ magnétique.

Maintenant, si nous considérons un inducteur qui est composé d'une bobine conductrice et lorsqu'un courant passe à travers l'inducteur, un champ magnétique est créé perpendiculairement à celui-ci. La figure suivante indique un inducteur avec un champ magnétique autour de lui.

Maintenant, nous avons ici un champ magnétique variable, qui crée du courant à travers le conducteur. Mais ce courant est produit de telle sorte qu'il s'oppose au courant principal, qui a produit le champ magnétique.

Si ce courant est nommé Im, ce qui signifie que le courant produit en raison du champ magnétique et du champ magnétique est indiqué par β, la figure suivante l'indique.

Ce courant opposé gagne en force avec le champ magnétique variable, qui gagne de l'énergie par la fréquence d'alimentation d'entrée. Par conséquent, à mesure que le courant d'entrée devient de plus en plus CA à haute fréquence, le courant opposé résultant acquiert également sa force dans la direction opposée à la cause même qui le produit. Maintenant, ce courant opposé, tente d'arrêter le courant alternatif haute fréquence de passer à travers l'inducteur, ce qui signifie «blocage du courant alternatif».

La propriété d'une inductance d'obtenir la tension induite par le changement de flux de courant est définie comme l'inductance. L'inductance est le rapport de la tension au taux de variation du courant.

Le taux de changement de courant produit un changement dans le champ magnétique, qui induit une force électromagnétique dans la direction opposée à la source de tension. Cette propriété d'induction de l'EMF est appeléeInductance.

La formule de l'inductance est

$$Inductance\:\:=\:\:\frac{volatge}{rate\:of\:change\:of\:current}$$

Units −

L'unité d'inductance est Henry. Il est indiqué parL.
Les inducteurs sont pour la plupart disponibles en mH (milli Henry) et μH (micro Henry).

On dit qu'une bobine a une inductance de one Henry lorsqu'un EMF de one volt est auto-induit dans la bobine où le courant circulant a changé à une vitesse de one ampere per second.

Auto-inductance

Si l'on considère une bobine dans laquelle un certain courant circule, elle a un champ magnétique, perpendiculaire au flux de courant. Lorsque ce courant continue de varier, le champ magnétique change également et ce champ magnétique changeant, induit un EMF, opposé à la tension de source. Ce CEM opposé produit est leself-induced voltage et cette méthode est appelée comme self-inductance.

Le courant i_s sur la figure, indiquer le courant source pendant i_indindique le courant induit. Le flux représente le flux magnétique créé autour de la bobine. Avec l'application de tension, le couranti_sdes flux et des flux se créent. Quand le couranti_s varie, le flux varie en produisant i_ind.

Cette CEM induite à travers la bobine est proportionnelle à la vitesse de variation du courant. Plus le taux de variation du courant est élevé, plus la valeur de l'EMF induite est élevée.

Nous pouvons écrire l'équation ci-dessus comme

$$E\:\:\alpha\:\:\frac{dI}{dt}$$

$$E\:\:=\:\:L\:\:\frac{dI}{dt}$$

Où,

E l'EMF est-il produit
dI/dt indique le taux de variation du courant
L indique le coefficient d'inductance.

L'auto-inductance ou le coefficient d'inductance propre peut être appelé

$$L\:\:=\:\:\frac{E}{\frac{dI}{dt}}$$

L'équation réelle s'écrit

$$E\:\:=\:\:-L\:\:\frac{dI}{dt}$$

Le moins dans l'équation ci-dessus indique que the EMF is induced in opposite direction to the voltage source selon la loi de Lenz.

Inductance mutuelle

Comme la bobine de transport de courant produit un champ magnétique autour d'elle, si une autre bobine est amenée près de cette bobine, de sorte qu'elle se trouve dans la région de flux magnétique du primaire, alors le flux magnétique variable induit un CEM dans la seconde bobine. Si cette première bobine est appeléePrimary coil, le second peut être appelé comme un Secondary coil.

Lorsque l'EMF est induit dans la bobine secondaire en raison du champ magnétique variable de la bobine primaire, un tel phénomène est appelé Mutual Inductance.

Le courant i_s sur la figure, indiquer le courant source pendant i_indindique le courant induit. Le flux représente le flux magnétique créé autour de la bobine. Cela se propage également à la bobine secondaire.

Avec l'application de tension, le courant i_sdes flux et des flux se créent. Quand le couranti_s varie, le flux varie en produisant i_ind dans la bobine secondaire, en raison de la propriété d'inductance mutuelle.

Le changement s'est déroulé comme ça.

$$V_{p}\:\:I_{p}\rightarrow\:\:B\:\:\rightarrow\:\:V_{s}\:\:I_{s}$$

Où,

V_p i_p Indiquez respectivement la tension et le courant dans la bobine primaire
B Indique le flux magnétique
V_s i_s Indiquez respectivement la tension et le courant dans la bobine secondaire

Inductance mutuelle M des deux circuits décrit la quantité de tension dans le secondaire induite par les changements du courant du primaire.

$$V(Secondary)\:\:=\:\:-M\frac{\Delta I}{\Delta t}$$

Où $\frac{\Delta I}{\Delta t}$ le taux de variation du courant avec le temps et Mest le coefficient d'inductance mutuelle. Le signe moins indique la direction du courant opposée à la source.

Units −

Les unités d'inductance mutuelle sont

$$volt\:\:=\:\:M\frac{amps}{sec}$$

(D'après l'équation ci-dessus)

$$M\:\:=\:\:\frac{volt.\:sec}{amp}$$

$$=\:\:Henry(H)$$

En fonction du nombre de tours des bobines primaire et secondaire, la liaison du flux magnétique et la quantité de CEM induit varient. Le nombre de tours en primaire est noté N1 et secondaire par N2. Le coefficient de couplage est le terme qui spécifie l'inductance mutuelle des deux bobines.

Facteurs affectant l'inductance

Il y a quelques facteurs qui affectent les performances d'un inducteur. Les principaux sont discutés ci-dessous.

Longueur de la bobine

La longueur de la bobine d'inductance est inversement proportionnelle à l'inductance de la bobine. Si la longueur de la bobine est supérieure, l'inductance offerte par cet inducteur diminue et vice versa.

Section transversale de la bobine

La section transversale de la bobine est directement proportionnelle à l'inductance de la bobine. Plus la surface de la bobine est élevée, plus l'inductance sera élevée.

Nombre de tours

Avec le nombre de tours, la bobine affecte directement l'inductance. La valeur de l'inductance correspond au nombre de tours de la bobine. Par conséquent, plus le nombre de tours est élevé, plus le carré de celui-ci sera la valeur de l'inductance de la bobine.

Perméabilité du noyau

le permeability (μ)du matériau du noyau de l'inducteur indique le support que le noyau fournit pour la formation d'un champ magnétique en lui-même. lehigher la perméabilité du matériau de base, le higher sera l'inductance.

Coefficient de couplage

C'est un facteur important à connaître pour le calcul de l'inductance mutuelle de deux bobines. Considérons deux bobines voisines de N1 et N2 spires respectivement.

Le courant traversant la première bobine i ₁ produit un flux Ψ ₁ . La quantité de liaisons de flux magnétique est comprise par weber-tours.

Soit la quantité de liaison de flux magnétique à la deuxième bobine, en raison de l'unité de courant de i ₁ BE

$$\frac{N_{2}\varphi_{1}}{i_{1}}$$

Cela peut être compris comme le coefficient d'inductance mutuelle, ce qui signifie

$$M\:\:=\:\:\frac{N_{2}\varphi_{1}}{i_{1}}$$

Par conséquent, le coefficient d'inductance mutuelle entre deux bobines ou circuits est compris comme les weber-tours dans une bobine en raison de 1A de courant dans l'autre bobine.

Si l'auto-inductance de la première bobine est L ₁ , alors

$$L_{1}i_{1}\:\:=\:\:{N_{1}\varphi_{1}}\:\:=>\:\:\frac{L_{1}}{N_{1}}\:\:\frac{\varphi_{1}}{i_{1}}$$

$$M\:\:=\:\:\frac{N_{2}L_{1}}{N_{1}}$$

De même, le coefficient d'inductance mutuelle dû au courant i ₂ dans la deuxième bobine est

$$M\:\:=\:\:\frac{N_{1}\varphi_{2}}{i_{2}}\:\dotsm\:\dotsm\:\dotsm\:\dotsm\:\:1$$

Si l'auto-inductance de la deuxième bobine est L ₂

$$L_{2}i_{2}\:\:=\:\:N_{2}\varphi_{2}$$

$$\frac{L_{2}}{N_{2}}\:\:=\:\:\frac{\varphi_{2}}{i_{2}}$$

Par conséquent,

$$M\:\:=\:\:\frac{N_{1}L_{2}}{N_{2}}\:\dotsm\:\dotsm\:\dotsm\:\dotsm\:\:2$$

En multipliant 1 et 2, nous obtenons

$$M\:\:\times\:\:M=\:\:\frac{N_{2}L_{1}}{N_{1}}\:\:\times\:\:\frac{N_{1}L_{2}}{N_{2}}$$

$$M^{2}\:\:=\:\:L_{1}L_{2}\:\:=>\:\:M\:\:=\:\:\sqrt{L_{1}L_{2}}$$

L'équation ci-dessus est vraie lorsque tout le flux changeant de la bobine primaire est lié à la bobine secondaire, ce qui est un cas idéal. Mais en pratique, ce n'est pas le cas. Par conséquent, nous pouvons écrire comme

$$M\:\:\neq\:\:\sqrt{L_{1}L_{2}}$$

$$and \frac{M}{\sqrt{L_{1}L_{2}}}\:\:=\:\:K\:\:\neq\:\:1$$

Où K est connu comme le coefficient de couplage.

le Coefficient of coupling K peut être défini comme le rapport du coefficient réel d'inductance mutuelle au coefficient idéal (maximum) d'inductance mutuelle.

Si la valeur de k est proche de l'unité, alors les bobines sont dites étroitement couplées et si la valeur de k = 0, alors les bobines sont dites faiblement couplées.

Applications des inducteurs

Il existe de nombreuses applications des inducteurs, telles que -

Les inductances sont utilisées dans les circuits de filtrage pour détecter les composants haute fréquence et supprimer les signaux de bruit
Pour isoler le circuit des signaux HF indésirables.
Les inducteurs sont utilisés dans les circuits électriques pour former un transformateur et isoler les circuits des pointes.
Les inducteurs sont également utilisés dans les moteurs.

Un inducteur lorsqu'il est connecté à un circuit, cette connexion peut être en série ou en parallèle. Dites-nous maintenant ce qu'il adviendra des valeurs totales de courant, de tension et de résistance s'ils sont également connectés en série, lorsqu'ils sont connectés en parallèle.

Inducteurs en série

Observons ce qui se passe, lorsque peu d'inducteurs sont connectés en série. Considérons trois résistances de valeurs différentes, comme le montre la figure ci-dessous.

Inductance

L'inductance totale d'un circuit ayant des inductances en série est égale à la somme des inductances individuelles. La valeur d'inductance totale du réseau donnée ci-dessus est

$$L_{T}\:\:=\:\:L_{1}\:\:+\:\:L_{2}\:\:+\:\:L_{3}$$

Où L ₁ est l'inductance de la 1 ^ère résistance, L ₂ est l'inductance de la 2 ^ème résistance et L ₃ est l'inductance de la 3 ^ème résistance du réseau ci-dessus.

Tension

La tension totale qui apparaît à travers un réseau d'inductances en série est l'addition de chutes de tension à chaque inductance individuelle.

Tension totale qui apparaît à travers le circuit

$$V\:\:=\:\:V_{1}\:\:+\:\:V_{2}\:\:+\:\:V_{3}$$

Actuel

La quantité totale de courant qui traverse un ensemble d'inducteurs connectés en série est la même en tous les points du réseau.

Le courant à travers le réseau

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:\:=\:\:I_{2}\:\:=\:\:I_{3}$$

Là où je ₁ est le courant à travers le 1 ^er inducteur, je ₂ est le courant à travers le 2 ^e inducteur et je ₃ est le courant à travers le 3 ^ème inductance dans le réseau ci - dessus.

Inducteurs en parallèle

Observons ce qui se passe, lorsque peu de résistances sont connectées en parallèle. Considérons trois résistances de valeurs différentes, comme le montre la figure ci-dessous.

Inductance

L'inductance totale d'un circuit ayant des résistances parallèles est calculée différemment de la méthode de réseau d'inductance en série. Ici, la valeur réciproque (1 / R) des inductances individuelles est ajoutée à l'inverse de la somme algébrique pour obtenir la valeur d'inductance totale.

La valeur d'inductance totale du réseau est

$$\frac{1}{L_{T}}\:\:=\:\:\frac{1}{L_{1}}\:\:+\:\:\frac{1}{L_{2}}\:\:+\:\:\frac{1}{L_{3}}$$

Où L ₁ est l'inductance de 1 ^er inductance, L ₂ est l'inductance du 2 ^ème inducteur et L ₃ est l'inductance du 3 ^ème inducteur dans le réseau ci - dessus.

De la méthode que nous avons pour calculer l'inductance parallèle, nous pouvons dériver une équation simple pour un réseau parallèle à deux inductances. Il est

$$L_{T}\:\:=\:\:\frac{L_{1}\:\:\times\:\: L_{2}}{L_{1}\:\:+\:\: L_{2}}$$

Tension

La tension totale qui apparaît sur un réseau d'inductances parallèles est la même que les chutes de tension à chaque inductance individuelle.

La tension qui apparaît à travers le circuit

$$V\:\:=\:\:V_{1}\:\:=\:\:V_{2}\:\:=\:\:V_{3}$$

Où V ₁ est la chute de tension aux bornes 1 ^er inducteur, V ₂ est la chute de tension aux bornes 2 ^nd inductance et V ₃ est la chute de tension aux bornes 3 ^ème inducteur dans le réseau ci - dessus. Par conséquent, la tension est la même en tous les points d'un réseau d'inductances parallèles.

Actuel

La quantité totale de courant entrant dans un réseau inductif parallèle est la somme de tous les courants individuels circulant dans toutes les branches parallèles. La valeur d'inductance de chaque branche détermine la valeur du courant qui la traverse.

Le courant total à travers le réseau est

$$I\:\:=\:\:I_{1}\:\:+\:\:I_{2}\:\:+\:\:I_{3}$$

Là où je ₁ est le courant à travers le 1 ^er inducteur, je ₂ est le courant à travers le 2 ^e inducteur et je ₃ est le courant à travers le 3 ^ème inductance dans le réseau ci - dessus.

Par conséquent, la somme des courants individuels dans différentes branches donne le courant total dans un réseau parallèle.

Réactance inductive

La réactance inductive est l'opposition offerte par une inductance au flux de courant alternatif, ou simplement au courant alternatif. Un inducteur a la propriété de résister au changement de flux de courant et par conséquent, il montre une certaine opposition qui peut être appeléereactance, car la fréquence du courant d'entrée doit également être considérée avec la résistance qu'il offre.

Indication - XL
Unités - Ohms
Symbole - Ω

Dans un circuit purement inductif, le courant I_L lagsla tension appliquée de 90 °. La réactance inductive est calculée par,

$$X_{L}\:\:=\:\:2\pi fL$$

Où f est la fréquence du signal. Par conséquent, la réactance inductive est fonction de la fréquence et de l'inductance.

Les inducteurs sont disponibles sous différentes formes et ont différentes utilisations. Leurs tailles varient en fonction du matériau utilisé pour les fabriquer. La classification principale se fait en inducteurs fixes et variables. Un inducteur de quelques Henries peut être en forme d'haltère de la taille d'une simple résistance. Un inducteur fixe a toujours l'argent comme première couleur dans le codage couleur.

Le noyau de l'inducteur est son cœur. Il existe de nombreux types d'inducteurs selon le matériau de base utilisé. Jetons un coup d'œil à quelques-uns d'entre eux.

Inducteur à noyau d'air

L'inducteur couramment vu, avec un enroulement simple est cet inducteur à noyau d'air. Cela n'a rien d'autre queair as the coreMatériel. Les matériaux non magnétiques comme le plastique et la céramique sont également utilisés comme matériaux de base et relèvent également de ces inducteurs à noyau d'air. L'image suivante montre divers inducteurs à air.

Ces inducteurs offrent une perte de signal minimale dans les applications ayant une intensité de champ magnétique très élevée. De plus, il n'y a pas de pertes de noyau car il n'y a pas de matériau de noyau solide.

Inducteur à noyau de fer

Ces inducteurs ont des matériaux ferromagnétiques, tels que la ferrite ou le fer, comme matériau de noyau. L'utilisation de tels matériaux de noyau contribue à l'augmentation de l'inductance, en raison de leur perméabilité magnétique élevée.Permeabilitymesure la capacité de soutenir la formation de champs magnétiques dans les matériaux. L'image suivante montre à quoi ressemble un inducteur à noyau de fer -

Les inducteurs qui ont des matériaux de noyau ferromagnétiques comme ceux-ci souffrent de pertes de noyau et d'énergie à hautes fréquences. Ces inducteurs sont utilisés dans la fabrication de quelques types de transformateurs.

Inducteurs toroïdaux

Ces inducteurs ont un matériau magnétique comme substance centrale sur laquelle le fil est enroulé. Ceux-ci sont en forme d'anneau circulaire, comme le montre la figure suivante.

Le principal avantage de ce type d'inductances est que, en raison de la forme circulaire, la symétrie est obtenue dans toute la forme de l'inducteur, ce qui entraîne des pertes minimales dans le flux magnétique. Ces inducteurs sont principalement utilisés dans les applications de circuits CA.

Inducteurs à noyau laminé

Ce sont les inducteurs qui ont des feuilles d'acier minces stratifiées, telles que des piles, comme matériaux de base. Habituellement, pour un inducteur, si la zone de boucle est augmentée pour que le courant circule, les pertes d'énergie seront plus importantes. Alors que, dans ces inducteurs à noyau laminé, de fines feuilles d'acier empilées sont utiles pour bloquer les courants de Foucault, ce qui minimise l'action de la boucle.

La figure suivante montre une image d'un inducteur à noyau laminé.

Le principal avantage de ces inducteurs est de minimiser la perte d'énergie grâce à sa construction. Ces inducteurs à noyau laminé sont principalement utilisés dans la fabrication de transformateurs.

Inducteurs à noyau de fer en poudre

Comme son nom l'indique, le noyau de ces inducteurs contient des matériaux magnétiques avec des entrefers. Mais ce type de construction offre un avantage au noyau, pour stocker un niveau d'énergie élevé par rapport aux autres types. La figure suivante montre une image d'un inducteur à noyau de fer en poudre.

Ces inducteurs fournissent des pertes par courants de Foucault et des pertes par hystérésis très faibles. Ceux-ci sont disponibles aux prix les plus bas et ont une très bonne stabilité d'inductance.

Les inducteurs RF sont les radio frequency inducteurs, qui sont utilisés à high resonant frequencies. Il peut s'agir d'un inducteur à bobine multicouche ou d'un inducteur en céramique revêtu d'un film mince ou d'un inducteur en céramique bobiné. La figure suivante représente quelques inducteurs RF.

Ces inducteurs sont caractérisés par low current rating et high electrical resistance. Mais comme les hautes fréquences sont utilisées ici, la résistance du fil augmente. De plus, peu d'effets entrent en jeu à cause de ces fréquences radio de résonance élevées. Jetons un coup d'œil à eux.

Effet sur la peau

Aux hautes fréquences, le courant alternatif a une tendance à une distribution inégale du courant à travers le conducteur. Le courant électrique circule fortement à la surface du conducteur qu'en son centre. Il obtient son énergie concentrée dans leskin du conducteur, laissant le noyau profond du conducteur, comme indiqué dans la figure suivante.

Lorsque l'énergie se concentre sur la peau du conducteur, cet effet est appelé Skin Effect. En fait, cet effet de peau est causé par les courants de Foucault qui sont produits par le champ magnétique changeant, résultant du courant alternatif. De nos jours, les conducteurs transportant des fréquences plus élevées sont réalisés sous forme de tube, afin de réduire le poids et le coût des conducteurs.

Effet de proximité

Parallèlement à celui ci-dessus, il s'agit d'un autre effet, qui est observé ici. L'effet de proximité est celui qui augmente la résistance du fil aux hautes fréquences. La proximité est le mot qui dit que l'effet sera suradjacent wires. La figure suivante montre la concentration de courant sur les bords des câbles adjacents.

Chaque tour a un champ magnétique qui induit des courants de Foucault dans le fil qui provoque la focalisation du courant sur le côté du fil adjacent. Avec cet effet, la section efficace du fil est réduite et saresistance gets increased.

Capacitance parasite

Habituellement, une inductance contient en interne une résistance en série (résistance de fil) et un condensateur en shunt (capacité parasite). Chaque tour d'enroulement a un potentiel légèrement différent, dans un inducteur. La figure suivante montre l'effet de capacité dans une inductance.

Les deux conducteurs qui se présentent à chaque tour, agissent comme des plaques de condensateur avec l'air comme diélectrique. Une capacité appeléeParasitic Capacitanceexiste ici. Afin d'éviter cela dans certaines applications, les enroulements sont éloignés les uns des autres.

Lorsque la fréquence augmente, l'impédance de la capacité parasite diminue et l'impédance de l'inductance augmente. Par conséquent, l'inducteur a tendance à se comporter comme un condensateur.

Pertes diélectriques

Le courant traversant le conducteur d'un inducteur fait que les molécules des isolants exercent de l'énergie sous forme de chaleur. Plus la fréquence est élevée, plus la dissipation thermique sera importante.

Étranglements

Les inducteurs sont également appelés selfs. Un inducteur bloque les composants CA et envoie des composants CC à travers lui. Par conséquent, comme il s'étouffe ou arrête le courant alternatif, un inducteur peut simplement être appeléChoke.

Une bobine de fil isolé est souvent enroulée sur un noyau magnétique pour former un starter. Lorsque la fréquence du signal augmente, l'impédance de la self augmente. En raison de sa réactance, il peut limiter la quantité de CA qui le traverse. Même si, pratiquement une certaine quantité de courant alternatif le traverse en raison de sa faible résistance électrique. Ceux-ci sont principalement utilisés dans les lampes à tube et dans les transformateurs dans les applications électroniques.

Selon le principe de Electromagnetic Induction, nous avons déjà appris qu'un flux variable peut induire un CEM dans une bobine. Par le principe deMutual induction, lorsqu'une autre bobine est amenée à côté d'une telle bobine, le flux induit EMF dans la seconde bobine.

Maintenant, la bobine qui a le flux variable est appelée comme le Primary Coil et la bobine dans laquelle l'EMF est induit est appelée Secondary Coil, tandis que les deux bobines forment ensemble une unité appelée Transformer.

Transformateur

Un transformateur a une bobine primaire à laquelle l'entrée est donnée et une bobine secondaire à partir de laquelle la sortie est collectée. Ces deux bobines sont enroulées sur un matériau central. Habituellement, un isolant forme leCore du transformateur.

La figure suivante montre un transformateur pratique.

D'après la figure ci-dessus, il est évident que peu de notations sont courantes. Essayons d'en avoir une note. Ils sont -

N_p = Nombre de tours dans l'enroulement primaire
N_s = Nombre de tours dans l'enroulement secondaire
I_p = Courant circulant dans le primaire du transformateur
I_s = Courant circulant dans le secondaire du transformateur
V_p = Tension aux bornes du primaire du transformateur
V_s = Tension aux bornes du secondaire du transformateur
Φ = Flux magnétique présent autour du noyau du transformateur.

Transformateur dans un circuit

La figure suivante montre comment un transformateur est représenté dans un circuit. L'enroulement primaire, l'enroulement secondaire et le noyau du transformateur sont également représentés sur la figure suivante.

Par conséquent, lorsqu'un transformateur est connecté dans un circuit, l'alimentation d'entrée est donnée à la bobine primaire de sorte qu'elle produit un flux magnétique variable avec cette alimentation et ce flux est induit dans la bobine secondaire du transformateur, ce qui produit la variation EMF de le flux variable. Comme le flux doit varier, pour le transfert des champs électromagnétiques du primaire au secondaire, un transformateur fonctionne toujours en courant alternatif alternatif.

Step-up et Step-down

En fonction du nombre de spires de l'enroulement secondaire, le transformateur peut être appelé Step up ou un Step down transformateur.

Le point principal à noter ici est qu'il n'y aura pas de différence entre le primaire et le secondaire powerdu transformateur. En conséquence, si la tension est élevée au secondaire, alors un courant faible est tiré pour rendre la puissance stable. De plus, si la tension dans le secondaire est faible, un courant élevé est prélevé de sorte que la puissance doit être la même que celle du côté primaire.

Intensifier

Lorsque l'enroulement secondaire a plus de tours que l'enroulement primaire, alors le transformateur est dit être un Step-uptransformateur. Ici, l'EMF induite est supérieure au signal d'entrée.

Démissionner

Lorsque l'enroulement secondaire a moins de spires que l'enroulement primaire, on dit que le transformateur est un Step-downtransformateur. Ici, l'EMF induite est inférieure au signal d'entrée.

Rapport de tours

Le nombre de spires des enroulements primaire et secondaire affectant les tensions nominales, il est important de maintenir un rapport entre les spires afin d'avoir une idée des tensions induites.

Le rapport entre le nombre de tours de la bobine primaire et le nombre de tours de la bobine secondaire est appelé «turns ratio" ou "the ratio of transformation». Le rapport de rotation est généralement désigné parN.

$$N\:\:=\:\:Turns\:ratio\:\:=\:\:\frac{Number\:of\:turns\:on\:Primary}{Number\:of\:turns\:on\:Secondary}\:\:=\:\:\frac{N_{p}}{N_{s}}$$

Le rapport du primaire au secondaire, le rapport de l'entrée à la sortie et le rapport de rotation de tout transformateur donné sera le même que son voltage ratio. Par conséquent, cela peut être écrit comme

$$\frac{N_{p}}{N_{s}}\:\:=\:\:\frac{V_{p}}{V_{s}}\:\:=\:\:N\:\:=\:\:Turns\:ratio$$

Le rapport de rotation indique également si le transformateur est un transformateur élévateur ou abaisseur. Par exemple, un rapport de tours de 1: 3 indique que le transformateur est un élévateur et le rapport de 3: 1 indique qu'il s'agit d'un transformateur abaisseur.

En ce qui concerne la classification des transformateurs, il existe de nombreux types en fonction du noyau utilisé, des enroulements utilisés, du lieu et du type d'utilisation, des niveaux de tension, etc.

Transformateurs monophasés et triphasés

Selon l'alimentation utilisée, les transformateurs sont principalement classés comme Single phase et three phase transformateurs.

Un transformateur normal est un transformateur monophasé. Il a un enroulement primaire et un enroulement secondaire et il est actionné pour diminuer ou augmenter la tension secondaire.
Pour un transformateur triphasé, trois enroulements primaires sont connectés ensemble et trois enroulements secondaires sont connectés ensemble.

Un seul transformateur triphasé est préféré à trois transformateurs monophasés afin d'obtenir un bon rendement, où il occupe moins d'espace à faible coût. Mais en raison du problème de transport des équipements lourds, des transformateurs monophasés sont utilisés dans la plupart des cas.

Une autre classification de ces transformateurs est Core et Shell type.

Dans Shell type, les enroulements sont positionnés sur une seule jambe entourée par le noyau.
Dans Core type, ils sont blessés à des jambes différentes.

La différence est bien connue en regardant la figure suivante.

La classification des transformateurs peut également être effectuée en fonction du type de matériau de noyau utilisé. Ce sont en faitRF transformers, qui contiennent de nombreux types tels que les transformateurs Air-core, Ferrite core transformateurs, Transmission line transformateurs et Baluntransformateurs. Les transformateurs Balun sont utilisés dans les systèmes récepteurs RF. Les principaux types sont les transformateurs à noyau d'air et à noyau de fer.

Transformateur à noyau d'air

Il s'agit d'un transformateur de type noyau dans lequel les enroulements sont enroulés sur une bande non magnétique. Les liaisons de flux magnétique sont réalisées parair as coreentre le primaire et le secondaire. L'image suivante montre un transformateur à noyau d'air.

Avantages

L'hystérésis et les pertes par courants de Foucault sont faibles dans ces transformateurs à noyau d'air.
La production de bruit est faible.

Désavantages

La réticence est élevée dans les transformateurs à noyau d'air.
L'inductance mutuelle est faible dans le noyau d'air par rapport aux transformateurs à noyau de fer.

Applications

Transformateurs de fréquence audio.
Transmissions radio haute fréquence.

Transformateurs à noyau de fer

Il s'agit d'un transformateur de type noyau dans lequel les enroulements sont enroulés sur un noyau de fer. Les liaisons de flux magnétique sont rendues solides et parfaites avec du fer comme matériau de base. Ceci est couramment observé dans les laboratoires. La figure ci-dessous montre un exemple de transformateur à noyau de fer.

Avantages

Ils ont une perméabilité magnétique très élevée.
Les transformateurs à noyau de fer ont une faible réticence.
L'inductance mutuelle est élevée.
Ces transformateurs sont très efficaces.

Désavantages

Ceux-ci sont un peu bruyants par rapport aux transformateurs à noyau d'air.
L'hystérésis et les pertes par courants de Foucault sont un peu plus que les transformateurs à noyau d'air.

Applications

En tant que transformateurs d'isolement.
Transmissions radio haute fréquence.

Les transformateurs sont également classés selon le type de noyau qu'ils utilisent. Certains transformateurs utilisent le noyau immergé dans l'huile. Cette huile est refroidie de l'extérieur par diverses méthodes. Ces transformateurs sont appelésWet core transformers, tandis que les autres tels que les transformateurs à noyau de ferrite, les transformateurs à noyau laminé, les transformateurs à noyau toroïdal et les transformateurs en résine coulée sont Dry core transformers.

Sur la base du type de technique d'enroulement, nous avons un autre transformateur très populaire nommé Auto transformer.

Transformateur automatique

C'est le type de transformateur que l'on retrouve le plus souvent dans nos laboratoires électriques. Cet autotransformateur est une version améliorée du transformateur d'origine. Un seul enroulement est pris dont les deux côtés sont connectés à l'alimentation et à la terre. Un autre prélèvement variable est réalisé par lequel le mouvement secondaire du transformateur est formé.

La figure suivante montre le circuit d'un autotransformateur.

Comme le montre la figure, un seul enroulement fournit à la fois le primaire et le secondaire dans un transformateur. Diverses prises de l'enroulement secondaire sont dessinées pour sélectionner divers niveaux de tension du côté secondaire.

L'enroulement primaire comme indiqué ci-dessus va de A à C et l'enroulement secondaire est de B à C tandis que le bras variable B est varié pour obtenir les niveaux de tension requis. Un transformateur automatique pratique ressemble à la figure ci-dessous.

En faisant tourner l'arbre ci-dessus, la tension secondaire est ajustée à différents niveaux de tension. Si la tension appliquée aux points A et C est V1, alors la tension par tour dans cet enroulement sera

$$Voltage\:per\:turn\:\:=\:\:\frac{V_{1}}{N_{1}}$$

Maintenant, la tension aux points B et C sera

$$V_{2}\:\:=\:\:\frac{V_{1}}{N_{1}}\:\:\times\:\:N_{2}$$

$$\frac{V_{2}}{V_{1}}\:\:=\:\:\frac{N_{2}}{N_{1}}\:\:=\:\:constant\:(say\:K)$$

Cette constante n'est rien d'autre que le rapport de tours ou le rapport de tension de l'autotransformateur.

Il existe des transformateurs classés en fonction de leurs applications. Beaucoup de ces transformateurs sont grands et encombrants. La plupart d'entre eux sont utilisés par le service électricité.

Transformateurs de puissance

Les transformateurs de puissance sont utilisés dans high power transfer applicationspour les applications élévatrices et abaissées, où les tensions de fonctionnement sont supérieures à 33KV généralement supérieures à 200MVA. La densité de flux est beaucoup plus élevée pour eux.

Tous les transformateurs utilisés pour les applications de contrôle de puissance telles que les transformateurs à noyau laminé, les transformateurs toroïdaux, les transformateurs automatiques variables, les transformateurs polyphaseurs, les transformateurs de fuite parasites entrent dans cette catégorie.

Ceux-ci sont généralement de grande taille en fonction de la capacité de traitement de la puissance et de son application. Ces transformateurs sont disponibles en type triphasé ou monophasé. Comme ces transformateurs sont encombrants, ils sont placés dans une grande zone ouverte. Ces transformateurs ont tendance à fournir une efficacité de 100% dans les applications à pleine charge.

Avantages

Ils ont un niveau d'isolation élevé.
Le bruit est faible.
Ils sont très efficaces.
Ceux à haute tension pour gérer les applications haute puissance.

Applications

Ils sont utilisés dans les systèmes de production d'électricité.
Ils sont utilisés dans les sous-stations de transmission.

Transformateurs de mesure

Les transformateurs de mesure sont utilisés pour mesurer la haute tension et les courants élevés. Ceux-ci sont surtout utiles pour isoler les circuits d'eux. Habituellement, le primaire d'un transformateur est connecté à des entrées élevées de tensions et de courants, tandis que le secondaire du transformateur est connecté à un relais ou à un circuit qui doit être isolé.

Ce sont principalement de deux types, Current transformers et Voltage transformers. Jetons un coup d'œil à chacun d'eux.

Transformateur de courant

Les transformateurs de courant fournissent un courant dans le circuit secondaire proportionnel au courant dans le circuit primaire. Ceux-ci sont utilisés dans les relais de protection et à des fins de mesure.

Un enroulement primaire à un seul tour est passé à travers un transformateur à noyau toroïdal bien isolé qui est blessé avec de nombreux tours, ce qui fait un Current Transformer. Ceci est toujours connecté en série.

L'enroulement secondaire peut être conçu pour fournir une sortie unique ou il peut avoir plusieurs prises pour différentes valeurs. Il faut veiller à ce que l'enroulement secondaire soit connecté à sa charge à faible impédance, tandis que le courant circule dans le primaire. Ceci permet d'éviter les hautes tensions soudaines dans le secondaire en circuit ouvert qui pourraient endommager de façon permanente la précision du transformateur.

Transformateurs de tension

Les transformateurs de tension fournissent une tension dans le circuit secondaire proportionnelle à la tension dans le circuit primaire. Ces transformateurs sont également appelésPotential Transformers. Ceux-ci sont connectés en parallèle au circuit.

Le primaire de ce transformateur peut avoir des connexions phase à phase, mais le secondaire aura une borne à la terre. La figure ci-dessous montre une image d'un transformateur de tension.

Il existe trois types principaux de transformateurs de tension. Elles sont

Electromagnetic - utilise un transformateur bobiné ayant de bonnes liaisons de flux.
Capacitor - utilise un condensateur avec un réseau diviseur de potentiel.
Optical - utilise les propriétés électriques des matériaux optiques.

Les transformateurs de tension sont utilisés dans les relais de protection et à des fins de mesure ainsi que pour l'isolation par déphasage.

Transformateurs de protection

Ces transformateurs sont très précis que les transformateurs de mesure, car ils ne sont utilisés que pour protéger les circuits des tensions et des courants élevés. Le primaire de ces transformateurs est connecté avec des entrées élevées tandis que le secondaire du transformateur maintient le circuit ou le relais, isolé des pointes ou surtensions soudaines qui pourraient endommager le circuit.

Transformateurs de distribution

Les transformateurs de distribution sont utilisés pour la distribution d'énergie électrique au niveau de l'utilisateur final. Les tensions de fonctionnement sont d'environ 33KV à des fins industrielles et de 440v-220v à des fins domestiques. Ceux-ci sont généralement évalués en dessous de 200 MVA.

Les gros autotransformateurs triphasés utilisés dans la distribution d'énergie et les transformateurs refroidis à l'huile entrent également dans cette catégorie. La figure ci-dessous montre une image d'un transformateur de distribution.

Ces transformateurs sont généralement plus petits que les transformateurs de puissance. Ces transformateurs sont placés en position ouverte mais ne sont pas complètement chargés comme les transformateurs de puissance.

Avantages

Ils sont de petite taille.
Ils sont faciles à installer.
Ces transformateurs ont de faibles pertes magnétiques.

Désavantages

Ces transformateurs ont un faible rendement.
Ils ne sont pas entièrement chargés.

Applications

Ils sont utilisés pour la distribution d'électricité dans divers domaines tels que les maisons, les cours de ferme, les terres, les chemins de fer, les parcs éoliens, etc.

Lorsque le primaire d'un transformateur a une tension induite, le flux magnétique créé dans le primaire est induit dans le secondaire en raison de l'induction mutuelle, qui produit une certaine tension dans le secondaire. La force de ce champ magnétique s'accumule à mesure que le courant passe de zéro à la valeur maximale qui est donnée par$\mathbf{\frac{d\varphi}{dt}}$.

Les lignes magnétiques de flux traversent l'enroulement secondaire. Le nombre de spires de l'enroulement secondaire détermine la tension induite. Par conséquent, la quantité de tension induite sera déterminée par

$$N\frac{d\varphi}{dt}$$

Où N = nombre de tours dans l'enroulement secondaire

La fréquence de cette tension induite sera la même que la fréquence de la tension primaire. L'amplitude de crête de la tension de sortie sera affectée si les pertes magnétiques sont élevées.

CEM induit

Essayons de dessiner une relation entre la force électromagnétique induite et le nombre de tours dans une bobine.

Supposons maintenant que les bobines primaire et secondaire aient chacune un seul tour. Si un volt est appliqué à un tour du primaire sans pertes (cas idéal), le flux de courant et le champ magnétique générés induisent le même volt dans le secondaire. Par conséquent, la tension est la même des deux côtés.

Mais le flux magnétique varie de façon sinusoïdale ce qui signifie,

$$\phi\:\:=\:\:\phi_{max} \sin \omega t$$

Ensuite, la relation de base entre la FEM induite et l'enroulement de bobine de N spires est

$$EMF\:=\:turns\:\:\times\:\:rate\:of\:change$$

$$E\:=\:N \frac{d\phi}{dt}$$

$$E\:=\:N\:\times\:\omega\:\times\: \phi_{max}\:\times\: \cos(\omega t)$$

$$E_{max}\:=\:N \omega \phi_{max}$$

$$E_{rms}\:=\:\frac{N \omega}{\sqrt{2}}\:\times\:\phi_{max}\:=\:\frac{2\pi}{\sqrt{2}}\:\times\:f\:\times\:N\:\times\:\phi_{max}$$

$$E_{rms}\:=\:4.44\:f\:N\:\phi_{max}$$

Où

f = fréquence de flux en Hertz = $\frac{\omega}{2\pi}$

N = nombre d'enroulements de bobine

∅ = densité de flux dans les webers

Ceci est connu comme Transformer EMF Equation.

Comme le flux alternatif produit du courant dans la bobine secondaire, et que ce flux alternatif est produit par une tension alternative, on peut dire que seul un courant alternatif alternatif peut aider un transformateur à fonctionner. Par conséquenta transformer doesn’t work on DC.

Pertes dans les transformateurs

Tout appareil a peu de pertes dans les applications pratiques. Les principales pertes qui se produisent dans les transformateurs sont les pertes de cuivre, les pertes de noyau et les fuites de flux.

Pertes de cuivre

La perte de cuivre est la perte d'énergie, due à la chaleur produite par le flux de courant à travers les enroulements des transformateurs. Celles-ci sont également appelées «I²R losses»Ou« I au carré des pertes R »car l'énergie perdue par seconde augmente avec le carré du courant traversant l'enroulement et est proportionnelle à la résistance électrique de l'enroulement.

Cela peut être écrit dans une équation comme

$$I_{P} R_{P}\:+\:I_{S} R_{S}$$

Où

I_P = Courant primaire
R_P = Résistance primaire
I_S = Courant secondaire
R_S = Résistance secondaire

Pertes de noyau

Les pertes de noyau sont également appelées Iron Losses. Ces pertes dépendent du matériau de base utilisé. Ils sont de deux types à savoir,Hysteresis et Eddy Current losses.

Hysteresis Loss- Le courant alternatif induit sous forme de flux magnétique continue à fluctuer (comme des montées et des baisses) et à inverser le sens en fonction de la tension alternative induite. Une partie de l'énergie est perdue dans le noyau en raison de ces fluctuations aléatoires. Une telle perte peut être qualifiée deHysteresis loss.
Eddy Current Loss- Pendant que tout ce processus se poursuit, certains courants sont induits dans le noyau qui circulent en continu. Ces courants produisent une perte appeléeEddy Current Loss. En fait, le champ magnétique variable est censé induire du courant uniquement dans l'enroulement secondaire. Mais il induit également des tensions dans les matériaux conducteurs voisins, ce qui entraîne cette perte d'énergie.
Flux Leakage- Bien que les liaisons de flux soient suffisamment fortes pour produire la tension requise, il y aura un certain flux qui fuit dans les applications pratiques et entraîne donc une perte d'énergie. Bien que ce soit faible, cette perte est également dénombrable lorsqu'il s'agit d'applications à haute énergie.

Puissance d'un transformateur

Lorsqu'un transformateur idéal est considéré sans pertes, la puissance du transformateur sera constante, comme le produit lorsque la tension V multiplié par le courant I est constante.

Nous pouvons dire que la puissance dans le primaire est égale à la puissance dans le secondaire car le transformateur s'en charge. Si le transformateur augmente la tension, le courant est réduit et si la tension est abaissée, le courant est augmenté de manière à maintenir la puissance de sortie constante.

Par conséquent, la puissance primaire est égale à la puissance secondaire.

$$P_{Primary}\:=\:P_{Secondary}$$

$$V_{P}I_{P}\cos \phi_{P}\:=\:V_{S}I_{S}\cos \phi_{S}$$

Où ∅_P = Angle de phase primaire et ∅_S = Angle de phase secondaire.

Efficacité d'un transformateur

La quantité ou l'intensité de la perte de puissance dans un transformateur, détermine l'efficacité du transformateur. L'efficacité peut être comprise en termes de perte de puissance entre le primaire et le secondaire d'un transformateur.

Par conséquent, le rapport de la puissance de sortie de l'enroulement secondaire à la puissance d'entrée de l'enroulement primaire peut être indiqué comme le Efficiency of the transformer. Cela peut être écrit comme

$$Efficiency\:=\:\frac{Power\:output}{Power\:input}\:\times\:100 \%$$

L'efficacité est généralement désignée par η. L'équation donnée ci-dessus est valable pour un transformateur idéal où il n'y aura pas de pertes et où toute l'énergie de l'entrée est transférée vers la sortie.

Par conséquent, si les pertes sont prises en compte et si le rendement est calculé dans des conditions pratiques, l'équation ci-dessous doit être considérée.

$$Efficiency\:=\:\frac{Power\:output}{Power\:output\:+\:Copper\:losses\:+\:Core\:losses}\:\times\:100 \%$$

Sinon, il peut également être écrit comme

$$Efficiency\:=\:\frac{Power\:input\:-\:Losses}{Power\:input}\:\times\:100$$

$$1\:-\:\frac{Losses}{Input\:Power}\:\times\:100$$

Il est à noter que les entrées, sorties et pertes sont toutes exprimées en puissance, c'est-à-dire en Watts.

Exemple

Considérez un transformateur ayant une puissance d'entrée de 12KW qui est évalué à 62,5 ampères de courant ayant une résistance équivalente de 0,425 ohms. Calculez l'efficacité du transformateur.

Solution −

Données données

Puissance d'entrée = 12KW
Courant nominal = 62,5 ampères
Résistance équivalente = 0,425 ohms

Calcul de la perte -

La perte de cuivre au courant nominal est I ² R = (62,5) ² (0,425) = 1660W

Nous avons

$$Efficiency\:=\:\frac{Power\:input\:-\:Losses}{Power\:input}\:\times\:100$$

Par conséquent,

$$\eta\:=\:\frac{12000\:-\:1660}{12000}\:\times\:100$$

$$\eta\:=\:\frac{10340}{12000}\:\times\:100$$

$$\eta\:=\:0.861\:\times\:100\:=\:86 \%$$

Par conséquent, l'efficacité du transformateur est de 86%.

Après avoir connu divers composants, concentrons-nous sur un autre composant important dans le domaine de l'électronique, connu sous le nom de Diode. Une diode semi-conductrice est un composant électronique à deux bornes avec une jonction PN. Ceci est également appelé comme unRectifier.

le anode qui est le positive terminal d'une diode est représentée par A et le cathode, qui est le negative terminal est représenté par K. Pour connaître l'anode et la cathode d'une diode pratique, une ligne fine est tracée sur la diode qui signifie cathode, tandis que l'autre extrémité représente l'anode.

Comme nous l'avions déjà évoqué sur les semi-conducteurs de type P et de type N, et le comportement de leurs porteurs, essayons maintenant de réunir ces matériaux pour voir ce qui se passe.

Formation d'une diode

Si un matériau de type P et un matériau de type N sont rapprochés l'un de l'autre, les deux se rejoignent pour former une jonction, comme le montre la figure ci-dessous.

Un matériau de type P a holes comme le majority carriers et un matériau de type N a electrons comme le majority carriers. Au fur et à mesure que les charges opposées s'attirent, peu de trous de type P ont tendance à aller du côté n, tandis que peu d'électrons de type N ont tendance à aller du côté P.

Lorsque les deux se déplacent vers la jonction, les trous et les électrons se recombinent pour neutraliser et former des ions. Or, dans cette jonction, il existe une région où se forment les ions positifs et négatifs, appelée jonction PN ou barrière de jonction comme le montre la figure.

La formation d'ions négatifs sur le côté P et d'ions positifs sur le côté N entraîne la formation d'une étroite région chargée de chaque côté de la jonction PN. Cette région est désormais libre de porteurs de charges mobiles. Les ions présents ici ont été stationnaires et maintiennent une région d'espace entre eux sans aucun porteur de charge.

Comme cette région agit comme une barrière entre les matériaux de type P et N, on l'appelle aussi Barrier junction. Cela a un autre nom appeléDepletion regionce qui signifie qu'il épuise les deux régions. Il se produit une différence de potentiel VD due à la formation d'ions, à travers la jonction appeléePotential Barrier car il empêche tout mouvement supplémentaire des trous et des électrons à travers la jonction.

Polarisation d'une diode

Lorsqu'une diode ou tout composant à deux bornes est connecté dans un circuit, il a deux conditions polarisées avec l'alimentation donnée. Elles sontForward biased état et Reverse biasedétat. Faites-nous les connaître en détail.

Condition biaisée vers l'avant

Lorsqu'une diode est connectée dans un circuit, avec son anode to the positive terminal et cathode to the negative borne de l'alimentation, alors une telle connexion est dite forward biasedétat. Ce type de connexion rend le circuit de plus en plus polarisé en direct et contribue à plus de conduction. Une diode conduit bien en condition polarisée en direct.

Condition biaisée inversée

Lorsqu'une diode est connectée dans un circuit, avec son anode to the negative terminal et cathode to the positive borne de l'alimentation, alors une telle connexion est dite Reverse biasedétat. Ce type de connexion rend le circuit de plus en plus polarisé en inverse et aide à minimiser et à empêcher la conduction. Une diode ne peut pas conduire en condition de polarisation inverse.

Essayons maintenant de savoir ce qui se passe si une diode est connectée en polarisation directe et en polarisation inverse.

Travailler sous biais en avant

Lorsqu'une tension externe est appliquée à une diode de telle sorte qu'elle annule la barrière de potentiel et permet la circulation du courant est appelée forward bias. Lorsque l'anode et la cathode sont connectées respectivement à des bornes positive et négative, les trous de type P et les électrons de type N ont tendance à se déplacer à travers la jonction, brisant la barrière. Il existe une libre circulation du courant avec cela, éliminant presque la barrière.

Avec la force de répulsion fournie par la borne positive aux trous et par la borne négative aux électrons, la recombinaison a lieu dans la jonction. La tension d'alimentation doit être telle qu'elle force le mouvement des électrons et des trous à travers la barrière et à la traverser pour fournirforward current.

Le courant direct est le courant produit par la diode lorsqu'elle fonctionne en polarisation directe et il est indiqué par I_f.

Travailler sous biais inversé

Lorsqu'une tension externe est appliquée à une diode de telle sorte qu'elle augmente la barrière de potentiel et limite le flux de courant est appelée Reverse bias. Lorsque l'anode et la cathode sont respectivement connectées à des bornes négatives et positives, les électrons sont attirés vers la borne positive et les trous sont attirés vers la borne négative. Par conséquent, les deux seront loin de la barrière potentielleincreasing the junction resistance et empêcher tout électron de traverser la jonction.

La figure suivante explique cela. Le graphique de conduction lorsqu'aucun champ n'est appliqué et lorsqu'un champ externe est appliqué est également dessiné.

Avec l'augmentation de la polarisation inverse, la jonction a peu de porteurs minoritaires pour traverser la jonction. Ce courant est normalement négligeable. Ce courant inverse est presque constant lorsque la température est constante. Mais lorsque cette tension inverse augmente encore, un point appeléreverse breakdown occurs, où une avalanche de courant traverse la jonction. Ce courant inverse élevé endommage l'appareil.

Reverse current est le courant produit par la diode lorsqu'elle fonctionne en polarisation inverse et il est indiqué par I_r. Par conséquent, une diode fournit un chemin à haute résistance en condition polarisée en inverse et ne conduit pas, où elle fournit un chemin à faible résistance en condition polarisée en direct et conduit. Ainsi, nous pouvons conclure qu'une diode est un dispositif unidirectionnel qui conduit en polarisation directe et agit comme un isolant en polarisation inverse. Ce comportement le fait fonctionner comme un redresseur, qui convertit le courant alternatif en courant continu.

Tension inverse de crête

La tension inverse de crête est brièvement appelée PIV. Il indique la tension maximale appliquée en polarisation inverse. La tension inverse de crête peut être définie comme «The maximum reverse voltage that a diode can withstand without being destroyed». Par conséquent, cette tension est considérée pendant la condition de polarisation inverse. Il indique comment une diode peut être utilisée en toute sécurité en polarisation inverse.

But d'une diode

Une diode est utilisée pour bloquer la circulation du courant électrique dans un sens, c'est-à-dire dans le sens direct et pour bloquer dans le sens inverse. Ce principe de diode le fait fonctionner comme unRectifier.

Pour qu'un circuit permette au courant de circuler dans un sens mais s'arrête dans l'autre sens, la diode de redressement est le meilleur choix. Ainsi, leoutput sera DCretirer les composants CA. Les circuits tels que les redresseurs demi-onde et pleine onde sont réalisés à l'aide de diodes, qui peuvent être étudiées enElectronic Circuits tutoriels.

Une diode est également utilisée comme Switch. Cela permet un ON et OFF plus rapide pour la sortie qui devrait se produire à un rythme rapide.

V - I Caractéristiques d'une diode

Une disposition de circuit pratique pour une diode à jonction PN est illustrée dans la figure suivante. Un ampèremètre est connecté en série et un voltmètre en parallèle, tandis que l'alimentation est contrôlée par une résistance variable.

Pendant le fonctionnement, lorsque la diode est en état polarisé en direct, à une tension particulière, la barrière de potentiel est éliminée. Une telle tension est appeléeCut-off Voltage ou Knee Voltage. Si la tension directe dépasse la limite, le courant direct augmente de manière exponentielle et si cela est fait plus loin, l'appareil est endommagé en raison d'une surchauffe.

Le graphique suivant montre l'état de la conduction de la diode dans des conditions polarisées en direct et en inverse.

Pendant la polarisation inverse, il existe un courant produit par des porteurs minoritaires connu sous le nom de "Reverse current». À mesure que la tension inverse augmente, ce courant inverse augmente et il se décompose soudainement en un point, entraînant la destruction permanente de la jonction.

Il existe de nombreux types de diodes en fonction de nombreux facteurs tels que la fréquence utilisée, leur fonctionnement et leur construction, leurs applications, etc. Passons en revue quelques-uns d'entre eux.

Diodes de jonction

Les diodes de jonction sont les diodes de jonction PN normales mais diffèrent par leur construction. Il existe trois types de diodes de jonction, comme illustré dans la figure suivante.

Diode redresseur

Ces diodes sont les diodes de jonction PN normales, qui permettent au courant de les traverser dans un seul sens et de s'arrêter dans l'autre sens. Ces diodes sont utilisées dans les circuits redresseurs pour convertir le courant alternatif en courant continu.

Dans la figure ci-dessus, nous pouvons voir les mêmes diodes de redressement avec une projection métallique. Ceci est ajouté à la diode pour minimiser la distribution de chaleur qui pourrait parfois affecter la diode. Une telle projection métallique est appeléeHeat sink. Celles-ci aident à améliorer les performances des diodes et les diodes pourront résister à des puissances élevées, sans être affectées.

Il existe des circuits tels que Half wave rectifier et Full wave rectifiercircuits qui utilisent ces diodes. Ces circuits sont traités dans le didacticiel CIRCUITS ÉLECTRONIQUES. Ces circuits redresseurs sont utilisés dans les sections d'alimentation de nombreux circuits où le courant d'entrée alternatif doit être converti en courant continu pour ces applications de circuit.

Diode Zener

Il s'agit d'un type spécial de diode qui permet la circulation du courant non seulement dans le sens direct, mais également dans le sens inverse. Une diode normale, lorsqu'elle fonctionne en polarisation inverse, est endommagée si le courant inverse supérieur à une certaine valeur la traverse. Cette «certaine valeur» est appeléeBreakdown voltage.

La tension de claquage d'une diode Zener est très faible. Maisthis diode allows the reverse current to pass through it, once this breakdown voltage is exceeded. Cette tension de claquage est appeléeZener Voltage. Il y a donc un claquage contrôlé qui n'endommage pas la diode lorsqu'un courant inverse supérieur à la tension Zener passe à travers une diode Zener.

Une diode Zener dans sa polarisation inverse, présente une tension de claquage contrôlée et permet au courant de maintenir la valeur de la tension aux bornes de cette diode Zener proche de la valeur de la tension de claquage Zener. Cette valeur de la tension de claquage Zener rend n'importe quelle diode Zener à choisir pour certaines applications.

Avalanche diodeest une autre diode qui a les caractéristiques similaires de la diode Zener. Le claquage par avalanche a lieu sur toute la jonction PN, lorsque la chute de tension est constante et indépendante du courant. Cette diode à avalanche est utilisée pour la photodétection.

VI Caractéristiques d'une diode Zener

Les caractéristiques VI d'une diode Zener sont communes à toutes les diodes lorsqu'elles fonctionnent en polarisation directe. Mais le fonctionnement de polarisation inverse d'une diode Zener le rend très important à considérer. Jetons un œil au graphique.

Le point où le pli est montré dans l'opération de polarisation inverse, est le Zener breakdown voltage, après quoi la diode laisse passer des courants inverses élevés. Cette tension Zener est indiquée parV_Z. Cette incroyable qualité de diode Zener en a fait la plus fiable et a également de nombreuses applications.

Applications de la diode Zener

Cette diode a de nombreuses applications telles que -

Il est principalement utilisé comme régulateur de tension.
Fournit une tension de référence fixe dans les circuits de polarisation de transistor.
Pour l'écrêtage ou la limitation des pics dans les circuits de mise en forme d'onde.
En tant que parasurtenseur dans de nombreux circuits.
Pour la protection des compteurs contre les dommages dus aux applications accidentelles.

Diode de commutation

Il s'agit d'une diode à jonction PN simple normale spécialement conçue à des fins de commutation. Cette diode peut présenter clairement deux états de résistance haute et basse qui peuvent être utilisés en variante.

La capacité de jonction de cette diode est rendue très faible afin de minimiser les autres effets. La vitesse de commutation est rendue assez élevée. Lorsque la diode a une résistance élevée, elle fonctionne comme un interrupteur ouvert et elle agit comme un interrupteur fermé pendant une faible résistance. Cette transition se produit à une vitesse plus rapide dans la diode de commutation, que dans n'importe quelle autre ordinaire.

Applications de la diode de commutation

Ceux-ci ont de nombreuses applications telles que -

Utilisé dans les circuits de redressement à grande vitesse
Utilisé dans les modulateurs en anneau
Utilisé dans les récepteurs de radiofréquence
Utilisé comme protecteurs de polarité inversée
Utilisé pour les applications de commutation à usage général et à grande vitesse

Il existe peu de diodes conçues pour répondre à des besoins particuliers. Il existe de nombreux types tels que les diodes de suppression de tension transitoire, les diodes dopées à l'or, les diodes super barrières, les diodes de contact ponctuel, les diodes Peltier, etc. Passons en revue.

Diode Varactor

Une diode de jonction a deux potentiels des deux côtés où la région d'appauvrissement peut agir comme un diélectrique. Il existe donc une capacité. La diode Varactor est une diode de cas particulier qui fonctionne en polarisation inverse, où la capacité de jonction varie.

La diode Varactor est également appelée Vari Cap ou Volt Cap. La figure suivante montre une diode Varactor connectée en polarisation inverse.

Si la tension inverse appliquée est augmentée, le width de la région diélectrique increases, lequel reduces la junction capacitance. Lorsque la tension inverse diminue, la largeur du diélectrique diminue, ce qui augmente la capacité. Si cette tension inverse est complètement nulle, alors lecapacitance sera à sa maximum.

La figure suivante montre divers symboles utilisés pour la diode Varactor qui représente sa fonction.

Bien que toutes les diodes aient cette capacité de jonction, la diode Varactor est principalement fabriquée pour utiliser cet effet et augmenter les variations de cette capacité de jonction.

Applications de la diode Varactor

Cette diode a de nombreuses applications telles que -

Il est utilisé comme condensateur variable de tension.
Il est utilisé dans le circuit de réservoir LC variable.
Utilisé comme contrôle automatique de fréquence.
Utilisé comme modulateur de fréquence.
Utilisé comme déphaseur RF.
Utilisé comme multiplicateur de fréquence dans les circuits d'oscillateurs locaux.

Diode tunnel

Si la concentration d'impuretés d'une jonction PN normale est fortement augmentée, ce Tunnel diodeest formé. Il est également connu sous le nom deEsaki diode, d'après son inventeur.

Lorsque la concentration d'impuretés dans une diode augmente, la largeur de la région d'appauvrissement diminue, étendant une force supplémentaire aux porteurs de charge pour traverser la jonction. Lorsque cette concentration est encore augmentée, en raison de la largeur moindre de la région d'appauvrissement et de l'énergie accrue des porteurs de charge, ils pénètrent à travers la barrière de potentiel, au lieu de la franchir. Cette pénétration peut être comprise commeTunneling et d'où le nom, Tunnel diode.

Les diodes Tunnel sont des appareils de faible puissance et doivent être manipulées avec précaution car elles sont facilement affectées par la chaleur et l'électricité statique. La diode tunnel a des caractéristiques VI spécifiques qui expliquent leur fonctionnement. Jetons un œil au graphique ci-dessous.

Considérez que la diode est en forward-biased condition. Lorsque la tension directe augmente, le courant augmente rapidement et il augmente jusqu'à un point de crête, appeléPeak Current, désigné par I_P. La tension à ce stade est appeléePeak Voltage, désigné par V_P. Ce point est indiqué parA dans le graphique ci-dessus.

Si la tension est encore augmentée au-delà V_P, puis le courant commence à diminuer. Il diminue jusqu'à un point, appeléValley Current, désigné par I_V. La tension à ce stade est appeléeValley Voltage, désigné par V_V. Ce point est indiqué parB dans le graphique ci-dessus.

Si la tension est encore augmentée, le courant augmente comme dans une diode normale. Pour des valeurs de tension directe plus élevées, le courant augmente encore au-delà.

Si nous considérons que la diode est en reverse-biased condition, alors la diode agit comme un excellent conducteur lorsque la tension inverse augmente. La diode agit ici comme dans une région de résistance négative.

Applications de la diode tunnel

Il existe de nombreuses applications pour la diode tunnel telles que -

Utilisé comme appareil de commutation à grande vitesse
Utilisé comme périphérique de stockage de mémoire
Utilisé dans les oscillateurs micro-ondes
Utilisé dans les oscillateurs de relaxation

Diode Schottky

Il s'agit d'un type spécial de diode dans lequel une jonction PN est remplacée par une jonction semi-conductrice métallique. Le semi-conducteur de type P dans une diode à jonction PN normale est remplacé par un métal et un matériau de type N est joint au métal. Cette combinaison n'a pas de région d'épuisement entre eux. La figure suivante montre la diode Schottky et son symbole.

Le métal utilisé dans cette diode Schottky peut être de l'or, de l'argent, du platine ou du tungstène, etc. De même, pour le matériau semi-conducteur autre que le silicium, l'arséniure de gallium est principalement utilisé.

Opération

Lorsqu'aucune tension n'est appliquée ou lorsque le circuit est non biaisé, les électrons du matériau de type N ont un niveau d'énergie inférieur à ceux du métal. Si la diode est alors polarisée en direct, ces électrons du type N gagnent de l'énergie et se déplacent avec une énergie plus élevée. Par conséquent, ces électrons sont appelés commeHot Carriers.

La figure suivante montre une diode Schottky connectée dans un circuit.

Avantages

La diode Schottky présente de nombreux avantages tels que -

C'est un dispositif unipolaire et par conséquent aucun courant inverse n'est formé.
Sa résistance avant est faible.
Les chutes de tension sont très faibles.
La rectification est rapide et facile avec la diode Schottky.
Il n'y a pas de région d'appauvrissement présente et par conséquent, pas de capacité de jonction. Ainsi, la diode passe rapidement en position OFF.

Applications

Il existe de nombreuses applications de la diode Schottky telles que -

Utilisé comme diode de détection
Utilisé comme redresseur de puissance
Utilisé dans les circuits mélangeurs RF
Utilisé dans les circuits de puissance
Utilisé comme diodes de serrage

Ce sont les diodes qui fonctionnent à la lumière. Le mot «Opto» signifieLight. Il existe des types dont la conduction dépend de l'intensité lumineuse et d'autres types dont la conduction délivre de la lumière. Chaque type a ses propres applications. Laissez-nous discuter des types importants parmi ceux-ci.

Certaines diodes conduisent en fonction de l'intensité de la lumière qui leur tombe dessus. Il existe deux principaux types de diodes dans cette catégorie. Ce sont des photodiodes et des cellules solaires.

Diode photo

La photodiode, comme son nom l'indique, est une jonction PN qui fonctionne sur la lumière. L'intensité de la lumière affecte le niveau de conduction dans cette diode. La photodiode a un matériau de type P et un matériau de type N avec unintrinsic matériel ou un depletion region entre.

Cette diode fonctionne généralement en reverse biasétat. La lumière lorsqu'elle est focalisée sur la région d'appauvrissement, des paires électron-trou se forment et un flux d'électrons se produit. Cette conduction des électrons dépend de l'intensité de la lumière focalisée. La figure ci-dessous montre une diode photo pratique.

La figure ci-dessous indique le symbole d'une photodiode.

Lorsque la diode est connectée en polarisation inverse, un petit courant de saturation inverse circule en raison de paires de trous d'électrons générées thermiquement. Comme le courant en polarisation inverse circule en raison de porteurs minoritaires, la tension de sortie dépend de ce courant inverse. Au fur et à mesure que l'intensité lumineuse focalisée sur la jonction augmente, le flux de courant dû aux porteurs minoritaires augmente. La figure suivante montre la disposition de polarisation de base d'une photodiode.

La photodiode est encapsulée dans un emballage en verre pour permettre à la lumière de tomber dessus. Afin de focaliser la lumière exactement sur la région d'appauvrissement de la diode, une lentille est placée au-dessus de la jonction, comme illustré ci-dessus.

Même quand il n'y a pas de lumière, une petite quantité de courant circule qui est appelée Dark Current. En modifiant le niveau d'éclairage, le courant inverse peut être modifié.

Avantages de la photodiode

La photodiode présente de nombreux avantages tels que -

Faible bruit
Gain élevé
Fonctionnement à grande vitesse
Haute sensibilité à la lumière
À bas prix
Petite taille
Longue durée de vie

Applications de la photodiode

Il existe de nombreuses applications pour la photodiode telles que -

Détection de caractères
Les objets peuvent être détectés (visibles ou invisibles).
Utilisé dans les circuits qui nécessitent une stabilité et une vitesse élevées.
Utilisé en démodulation
Utilisé dans les circuits de commutation
Utilisé dans les encodeurs
Utilisé dans les équipements de communication optique

Une autre diode de ce type est la cellule solaire. Il est appelé cellule bien qu'il s'agisse d'une diode. Entrons dans les détails.

Cellule photovoltaïque

Les diodes dépendantes de la lumière comprennent la cellule solaire, qui est une diode à jonction PN normale mais dont la conduction est assurée par le flux de photons qui sont convertis en flux d'électrons. Ceci est similaire à une photodiode mais il a un autre objectif de convertir la lumière incidente maximale en énergie et de la stocker.

La figure ci-dessous représente le symbole d'une cellule solaire.

Une cellule solaire a son nom et son symbole indiquant le stockage d'énergie bien qu'il s'agisse d'une diode. La caractéristique d'extraire plus d'énergie et de la stocker est concentrée dans la cellule solaire.

Construction d'une cellule solaire

Une diode à jonction PN avec un matériau intrinsèque dans la région de suppression est faite pour encapsuler dans un verre. La lumière est faite pour arriver sur une zone maximale possible avec un verre mince sur le dessus afin de collecter un maximum de lumière avec une résistance minimale.

La figure suivante montre la construction d'une cellule solaire.

Lorsque la lumière est incidente sur la cellule solaire, les photons de la lumière entrent en collision avec des électrons de valence. Les électrons sont excités pour quitter les atomes parents. Ainsi un flux d'électrons est généré et ce courant est directement proportionnel à l'intensité lumineuse focalisée sur la cellule solaire. Ce phénomène est appelé comme lePhoto-Voltaic effect.

La figure suivante montre à quoi ressemble une cellule solaire et comment un certain nombre de cellules solaires sont réunies pour former un panneau solaire.

Différence entre une photodiode et une cellule solaire

La photodiode fonctionne plus rapidement et se concentre sur la commutation plutôt que de fournir plus de puissance en sortie. Il a une faible valeur de capacité à cause de cela. De plus, la zone d'incidence de l'énergie lumineuse est moindre en photodiode, en fonction de ses applications.

Une cellule solaire se concentre sur la fourniture d'énergie à haut rendement et le stockage de l'énergie. Cela ahigh capacitancevaleur. L'opération est un peu plus lente que la photodiode. Selon le but de la cellule solaire, la zone d'incidence de la lumière est plus grande que la photodiode.

Applications de la cellule solaire

Il existe de nombreuses applications pour la cellule solaire telles que -

Science and Technology

Utilisé dans les panneaux solaires pour les satellites
Utilisé en télémétrie
Utilisé dans les systèmes d'éclairage à distance, etc.

Commercial Use

Utilisé dans les panneaux solaires pour le stockage de l'électricité
Utilisé dans les alimentations portables, etc.
Utilisé dans les usages ménagers tels que la cuisine et le chauffage à l'énergie solaire

Electronic

Watches
Calculators
Jouets électroniques, etc.

Certaines diodes émettent de la lumière en fonction de la tension appliquée. Il existe deux principaux types de diodes dans cette catégorie. Ce sont des LED et des diodes laser.

LED (diodes électroluminescentes)

Celle-ci est la diode la plus utilisée dans notre vie quotidienne. Il s'agit également d'une diode à jonction PN normale, sauf qu'au lieu du silicium et du germanium, des matériaux comme l'arséniure de gallium, le phosphure d'arséniure de gallium sont utilisés dans sa construction.

La figure ci-dessous montre le symbole d'une diode électroluminescente.

Comme une diode à jonction PN normale, celle-ci est connectée en polarisation directe de sorte que la diode soit conductrice. La conduction a lieu dans une LED lorsque les électrons libres de la bande de conduction se combinent avec les trous de la bande de valence. Ce processus de recombinaison émetlight. Ce processus est appeléElectroluminescence. La couleur de la lumière émise dépend de l'écart entre les bandes d'énergie.

Les matériaux utilisés agissent également sur les couleurs comme le phosphure d'arséniure de gallium émet soit du rouge soit du jaune, le phosphure de gallium émet soit du rouge soit du vert et le nitrate de gallium émet une lumière bleue. Alors que l'arséniure de gallium émet une lumière infrarouge. Les LED pour la lumière infrarouge non visible sont principalement utilisées dans les télécommandes.

La figure suivante montre à quoi ressemblent les LED pratiques de différentes couleurs.

La LED de la figure ci-dessus a un côté plat et un côté incurvé, le fil du côté plat est rendu plus court que l'autre, de manière à indiquer que le plus court est Cathode ou borne négative et l'autre est Anode ou la borne positive.

La structure de base des LED est illustrée dans la figure ci-dessous.

Comme le montre la figure ci-dessus, lorsque les électrons sautent dans les trous, l'énergie se dissipe spontanément sous forme de lumière. La LED est un appareil dépendant du courant. L'intensité lumineuse de sortie dépend du courant traversant la diode.

Avantages de la LED

Les LED présentent de nombreux avantages tels que -

Haute efficacité
Haute vitesse
Grande fiabilité
Faible dissipation thermique
Durée de vie plus longue
À bas prix
Facilement contrôlé et programmable
Niveaux élevés de luminosité et d'intensité
Exigences de basse tension et de courant
Moins de câblage requis
Faible coût de maintenance
Pas de rayonnement UV
Effet d'éclairage instantané

Applications de la LED

Il existe de nombreuses applications pour les LED telles que -

In Displays

Particulièrement utilisé pour l'affichage à sept segments
Horloges numériques
Four à micro-ondes
Signalisation routière
Panneaux d'affichage dans les chemins de fer et les lieux publics
Toys

In Electronic Appliances

Tuners stéréo
Calculators
Alimentations DC
Indicateurs marche / arrêt dans les amplificateurs
Indicateurs de puissance

Commercial Use

Machines à lecture infrarouge
Lecteurs de codes à barres
Écrans vidéo à semi-conducteurs

Optical Communications

Dans les applications de commutation optique
Pour le couplage optique où l'aide manuelle n'est pas disponible
Transfert d'informations via FOC
Circuits de détection d'image
Alarmes antivol
Dans les techniques de signalisation ferroviaire
Porte et autres systèmes de contrôle de sécurité

Tout comme la LED présente de nombreux avantages et applications, il existe une autre diode importante appelée diode laser, qui possède également de nombreuses fonctionnalités avancées et une portée d'avenir. Laissez-nous discuter de la diode laser.

Diode laser

La diode laser est une autre diode populaire pour son genre. Il s'agit d'une diode optique qui émet de la lumière mais avec un processus stimulé. Le nomLASER implique Light Amplification par Stimulé Emission de Radiation.

Émission stimulée

Il s'agit d'une diode à jonction PN dont l'action démarre lorsqu'un rayon lumineux y est incident. Avec un rayon lumineux, lorsque les photons sont incidents sur un atome, l'atome est excité et il atteint un niveau supérieur qui peut être appeléHigher Energy Level.

L'atome passe du niveau d'énergie supérieur à un Lower Energy Level, il libère two photons qui sont similar in characteristics au photon incident et sont en equal phaseà lui. Ce processus est appeléStimulated Emission. Un atome peut généralement rester dans cet état excité pendant10^-8 secs de temps.

Ainsi, le processus ci-dessus définit le principe de la diode laser.

Principe de la diode laser

Chaque fois qu'un photon est incident sur un atome, cet atome est excité d'un état d'énergie inférieure à un état d'énergie plus élevée et deux photons sont libérés dans ce processus. En fait, un atome peut généralement rester à cet état excité pendant10^-8secondes de temps. Ainsi, afin d'obtenir une amplification, au cours de ce processus excité, l'atome est amené à être placé dans un autre état appeléMeta Stable State qui est en dessous du niveau d'énergie supérieur et au-dessus du niveau d'énergie inférieur.

Un atome peut rester dans cet état stable Meta pendant 10^-3secondes. Pendant que l'atome atteint l'état inférieur à partir de cela, deux photons sont libérés. S'il y a plus d'atomes dans l'état excité, avant que les photons ne frappent les atomes, alors nous avons leLasing Effect.

Dans ce processus, nous avons deux termes à comprendre. Avoir plus d'atomes à l'état Meta Stable que l'état d'énergie inférieure ou l'état fondamental est appeléPopulation inversion. Ensuite, l'énergie qui permet aux atomes d'envoyer d'un état d'énergie inférieure à un état d'énergie plus élevée pour réaliser l'inversion de population, est appelée commePumping. C'estOptical pumping.

Avantages

Il existe de nombreux avantages de la diode laser tels que -

La puissance utilisée par les diodes laser est bien moindre
Vitesse de commutation ON / OFF plus élevée
Plus compact
Moins cher
Ils sont moins chers que les générateurs laser
Moins de chances de fournir des chocs électriques

Désavantages

Il y a peu d'inconvénients de la diode laser tels que -

Plus de rayons divergents et donc la qualité n'est pas si bonne
Leur durée de vie est inférieure à celle des LED.
Sujette aux dommages lors d'alimentations instables

Applications

Il existe de nombreuses applications de la diode laser telles que -

Utilisé comme pompe-laser et laser de semence
Utilisé dans les périphériques de stockage de données optiques
Utilisé dans les imprimantes laser et les télécopieurs laser
Utilisé dans les pointeurs laser
Utilisé dans les lecteurs de codes à barres
Ils sont utilisés dans les lecteurs de DVD et de CD
Utilisé dans la technologie HD DVD et BLU RAY
A de nombreuses fins industrielles telles que le traitement thermique, le revêtement, le soudage de couture, etc.
A de nombreuses utilisations dans les technologies de communication telles que la liaison et la transmission de données.

Après avoir parcouru tout cela, essayons de comprendre quelques termes.

Composant

Les composants sont les éléments de base individuels de l'électronique.
Ils ont des propriétés différentes en ce qui concerne leur construction.
Chaque composant a des applications différentes.

Ex - Résistance, condensateur, diode, etc.

Circuit

Un circuit est un réseau de différents composants
Les composants du circuit, ensemble, survivent à un objectif prévu.
Si un circuit doit être actif, il doit contenir une source d'alimentation.

Ex - circuits de tondeuse et de pince, circuits d'amplification, circuits de relais, etc.

Dispositif

Un appareil est un équipement composé de différents circuits.
Tous les circuits de l'appareil l'aident à remplir sa fonction.
Un appareil peut être utilisé pour mesurer des signaux, générer des signaux, contrôler les résultats ou protéger les circuits, etc.

Ex - CRO, générateur de fonctions, etc.

Appareils à semi-conducteurs

Auparavant, nous avions des tubes à vide, qui fonctionnent sur le principe thermo-ionique et sont remplis de vide à l'intérieur. Ils étaient plus gros que les composants actuels. Ces tubes à vide ont été remplacés par des dispositifs à semi-conducteurs, également appelésSolid state devices.

Appareils actifs

Les dispositifs (ou précisément les composants) qui peuvent contrôler le flux de courant peuvent être appelés dispositifs actifs.

Ils nécessitent une alimentation d'entrée pour entrer en conduction.
Le fonctionnement de ces composants définit le comportement du circuit.

Ex - Tubes à vide, diodes, transistors, SCR

Dispositifs passifs

Les dispositifs (ou précisément les composants) qui ne peuvent pas contrôler le flux de courant peuvent être qualifiés de dispositifs passifs.

Ils ne nécessitent pas d'alimentation d'entrée pour fonctionner.
Le fonctionnement de ces composants modifie légèrement le comportement du circuit.

Ex - Résistance, condensateur, inducteur, etc.

Se doper

Le processus d'ajout d'électrons ou de création de trous pour modifier les caractéristiques du matériau semi-conducteur, soit en rendant plus positif ou en rendant plus négatif peut être compris comme Doping.

Les applications des diodes incluent de nombreux circuits à partir de circuits de clipper et de clamper, qui seront discutés dans le tutoriel CIRCUITS ÉLECTRONIQUES.

Après avoir une bonne connaissance du fonctionnement de la diode, qui est une seule jonction PN, essayons de connecter deux jonctions PN qui forment un nouveau composant appelé Transistor. UNETransistor est un dispositif semi-conducteur à trois bornes qui régule le flux de courant ou de tension et agit comme un interrupteur ou une porte pour les signaux.

Pourquoi avons-nous besoin de transistors?

Supposons que vous ayez un récepteur FM qui capte le signal souhaité. Le signal reçu sera évidemment faible en raison des perturbations auxquelles il serait confronté pendant son trajet. Maintenant, si ce signal est lu tel quel, vous ne pouvez pas obtenir une sortie correcte. Par conséquent, nous devons amplifier le signal.Amplification signifie augmenter la force du signal.

Ceci est juste un exemple. L'amplification est nécessaire partout où la force du signal doit être augmentée. Ceci est fait par un transistor. Un transistor agit également comme unswitchpour choisir parmi les options disponibles. Ça aussiregulates l'arrivée current and voltage des signaux.

Détails de construction d'un transistor

Le transistor est un dispositif à semi-conducteurs à trois bornes qui est formé en connectant deux diodes dos à dos. Par conséquent, il atwo PN junctions. Trois bornes sont tirées des trois matériaux semi-conducteurs qui y sont présents. Ce type de connexion propose deux types de transistors. Elles sontPNP et NPN ce qui signifie qu'un matériau de type N entre deux Ptypes et l'autre est un matériau de type P entre deux N-types respectivement.

La construction des transistors est comme le montre la figure suivante qui explique l'idée discutée ci-dessus.

Les trois bornes tirées du transistor indiquent les bornes d'émetteur, de base et de collecteur. Ils ont leurs fonctionnalités comme indiqué ci-dessous.

Émetteur

Le côté gauche de la structure représentée ci-dessus peut être compris comme Emitter.
Cela a un moderate size et est heavily doped car sa fonction principale est de supply un nombre de majority carriers, c'est-à-dire des électrons ou des trous.
Comme cela émet des électrons, il est appelé émetteur.
Ceci est simplement indiqué par la lettre E.

Base

Le matériau du milieu dans la figure ci-dessus est le Base.
C'est thin et lightly doped.
Sa fonction principale est de pass les porteurs majoritaires de l'émetteur au collecteur.
Ceci est indiqué par la lettre B.

Collectionneur

Le matériau du côté droit dans la figure ci-dessus peut être compris comme un Collector.
Son nom implique sa fonction de collecting the carriers.
C'est a bit largeren taille que l'émetteur et la base. Il estmoderately doped.
Ceci est indiqué par la lettre C.

Les symboles des transistors PNP et NPN sont indiqués ci-dessous.

le arrow-head dans les figures ci-dessus, le emitterd'un transistor. Comme le collecteur d'un transistor doit dissiper une puissance beaucoup plus grande, il est rendu grand. En raison des fonctions spécifiques de l'émetteur et du collecteur, ils sontnot interchangeable. Par conséquent, les bornes doivent toujours être gardées à l'esprit lors de l'utilisation d'un transistor.

Dans un transistor pratique, il y a une encoche près du fil d'émetteur pour l'identification. Les transistors PNP et NPN peuvent être différenciés à l'aide d'un multimètre. La figure suivante montre à quoi ressemblent différents transistors pratiques.

Nous avons jusqu'à présent discuté des détails de construction d'un transistor, mais pour comprendre le fonctionnement d'un transistor, nous devons d'abord connaître la polarisation.

Biais de transistor

Comme nous savons qu'un transistor est une combinaison de deux diodes, nous avons ici deux jonctions. Comme une jonction est entre l'émetteur et la base, cela s'appelleEmitter-Base junction et de même, l'autre est Collector-Base junction.

Biasingcontrôle le fonctionnement du circuit en fournissant une alimentation électrique. La fonction des deux jonctions PN est contrôlée en fournissant une polarisation au circuit via une alimentation en courant continu. La figure ci-dessous montre comment un transistor est polarisé.

En regardant la figure ci-dessus, il est entendu que

Le matériau de type N est fourni avec une alimentation négative et le matériau de type P reçoit une alimentation positive pour rendre le circuit Forward bias.
Le matériau de type N est fourni avec une alimentation positive et le matériau de type P reçoit une alimentation négative pour rendre le circuit Reverse bias.

En appliquant la puissance, le emitter base junction est toujours forward biasedcar la résistance de l'émetteur est très faible. lecollector base junction est reverse biasedet sa résistance est un peu plus élevée. Une faible polarisation directe est suffisante à la jonction de l'émetteur alors qu'une forte polarisation inverse doit être appliquée à la jonction du collecteur.

La direction du courant indiquée dans les circuits ci-dessus, également appelée Conventional Current, est le mouvement du courant de trou qui est opposite to the electron current.

Opération PNP Transistor

Le fonctionnement d'un transistor PNP peut être expliqué en regardant la figure suivante, dans laquelle la jonction émetteur-base est polarisée en direct et la jonction collecteur-base est polarisée en inverse.

La tension V_EEfournit un potentiel positif au niveau de l'émetteur qui repousse les trous dans le matériau de type P et ces trous traversent la jonction émetteur-base, pour atteindre la région de base. Là, un très faible pourcentage de trous se recombine avec des électrons libres de la région N. Cela fournit un courant très faible qui constitue le courant de baseI_B. Les trous restants traversent la jonction collecteur-base, pour constituer le courant du collecteurI_C, qui est le courant du trou.

Lorsqu'un trou atteint la borne du collecteur, un électron de la borne négative de la batterie remplit l'espace dans le collecteur. Ce flux augmente lentement et le courant de minorité d'électrons traverse l'émetteur, où chaque électron entrant dans la borne positive deV_EE, est remplacé par un trou en se déplaçant vers la jonction de l'émetteur. Cela constitue un courant d'émetteurI_E.

Par conséquent, nous pouvons comprendre que -

La conduction dans un transistor PNP s'effectue à travers des trous.
Le courant du collecteur est légèrement inférieur au courant de l'émetteur.
L'augmentation ou la diminution du courant de l'émetteur affecte le courant du collecteur.

Opération Transistor NPN

Le fonctionnement d'un transistor NPN peut être expliqué en regardant la figure suivante, dans laquelle la jonction émetteur-base est polarisée en direct et la jonction collecteur-base est polarisée en inverse.

La tension V_EEfournit un potentiel négatif au niveau de l'émetteur qui repousse les électrons dans le matériau de type N et ces électrons traversent la jonction émetteur-base, pour atteindre la région de base. Là, un très faible pourcentage d'électrons se recombine avec des trous libres de la région P. Cela fournit un courant très faible qui constitue le courant de baseI_B. Les trous restants traversent la jonction collecteur-base, pour constituer le courant collecteurI_C.

Lorsqu'un électron sort de la borne du collecteur et entre dans la borne positive de la batterie, un électron de la borne négative de la batterie V_EEentre dans la région de l'émetteur. Ce flux augmente lentement et le courant d'électrons traverse le transistor.

Par conséquent, nous pouvons comprendre que -

La conduction dans un transistor NPN a lieu à travers des électrons.
Le courant du collecteur est supérieur au courant de l'émetteur.
L'augmentation ou la diminution du courant de l'émetteur affecte le courant du collecteur.

Avantages

Il y a de nombreux avantages d'un transistor tels que -

Gain haute tension.
Une tension d'alimentation inférieure est suffisante.
Idéal pour les applications à faible puissance.
Plus petit et plus léger.
Mécaniquement plus résistant que les tubes à vide.
Aucun chauffage externe requis comme les tubes à vide.
Très approprié pour s'intégrer avec des résistances et des diodes pour produire des circuits intégrés.

Il y a peu d'inconvénients tels qu'ils ne peuvent pas être utilisés pour des applications à haute puissance en raison d'une dissipation de puissance plus faible. Ils ont une impédance d'entrée plus faible et dépendent de la température.

Un transistor a 3 bornes, l'émetteur, la base et le collecteur. En utilisant ces 3 bornes, le transistor peut être connecté dans un circuit avec une borne commune à la fois à l'entrée et à la sortie dans 3 configurations possibles différentes.

Les trois types de configurations sont Common Base, Common Emitter et Common Collectorconfigurations. Dans chaque configuration, la jonction d'émetteur est polarisée en direct et la jonction de collecteur est polarisée en inverse.

Configuration de base commune (CB)

Le nom lui-même implique que la borne de base est prise comme borne commune à la fois pour l'entrée et la sortie du transistor. La connexion de base commune pour les transistors NPN et PNP est illustrée dans la figure suivante.

Par souci de compréhension, considérons le transistor NPN en configuration CB. Lorsque la tension d'émetteur est appliquée, car elle est polarisée en direct, les électrons de la borne négative repoussent les électrons de l'émetteur et le courant circule à travers l'émetteur et la base vers le collecteur pour contribuer au courant du collecteur. La tension du collecteurV_CB est maintenu constant tout au long de cela.

Dans la configuration CB, le courant d'entrée est le courant de l'émetteur I_E et le courant de sortie est le courant du collecteur I_C.

Current Amplification Factor (α)

Le rapport de variation du courant de collecteur ($\Delta I_{C}$) au changement du courant de l'émetteur ($\Delta I_{E}$) lorsque la tension du collecteur V_CB est maintenu constant, est appelé comme Current amplification factor. Il est noté α.

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{E}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$

Expression pour le courant du collecteur

Avec l'idée ci-dessus, essayons de dessiner une expression pour le courant de collecteur. Parallèlement au courant de l'émetteur qui circule, il y a une certaine quantité de courant de base IB qui traverse la borne de base en raison de la recombinaison des trous d'électrons. Comme la jonction collecteur-base est polarisée en inverse, un autre courant circule en raison des porteurs de charge minoritaires. C'est le courant de fuite qui peut être compris commeI_leakage. Cela est dû aux porteurs de charge minoritaires et donc très petits.

Le courant de l'émetteur qui atteint la borne du collecteur est

$$\mathbf{\mathit{\alpha I_{E}}}$$

Courant total du collecteur

$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{leakage}$$

Si la tension de base d'émetteur V _EB = 0, même alors, il circule un petit courant de fuite, qui peut être appelé I _CBO (courant de base de collecteur avec sortie ouverte).

Le courant du collecteur peut donc être exprimé comme

$$I_{C}\:=\:\alpha I_{E}\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{E}\:=\:I_{C}\:+\:I_{B}$$

$$I_{C}\:=\:\alpha(I_{C}\:+\:I_{B})\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}(1\:-\:\alpha)\:=\:\alpha I_{B}\:+\:I_{CBO}$$

$$I_{C}\:=\:(\frac{\alpha}{1\:-\:\alpha})\: I_{B}\:+\:(\frac{I_{CBO}}{1\:-\:\alpha})$$

$$I_{C}\:=\:(\frac{\alpha}{1\:-\:\alpha})\: I_{B}\:+\:(\frac{1}{1\:-\:\alpha})I_{CBO}$$

Par conséquent, le dérivé ci-dessus est l'expression du courant de collecteur. La valeur du courant de collecteur dépend du courant de base et du courant de fuite ainsi que du facteur d'amplification du courant de ce transistor utilisé.

Caractéristiques de la configuration CB

Cette configuration fournit un gain de tension mais pas de gain de courant.
Étant V_CBconstante, avec une légère augmentation de la tension de base de l'émetteur V _EB , courant de l'émetteurI_E augmente.
Courant d'émetteur I_E est indépendant de la tension du collecteur V_CB.
Tension du collecteur V_CB peut affecter le courant du collecteur I_Cuniquement à basse tension, lorsque V _EB est maintenu constant.
La résistance d'entrée ri est le rapport de variation de la tension émetteur-base ($\Delta{V_{EB}}$) au changement du courant de l'émetteur ($\Delta{I_{E}}$) à tension de base du collecteur constante V_CB.

$$\eta\:=\:\frac{\Delta{V_{EB}}}{\Delta{I_{E}}}\:\:at\:constant\:V_{CB}$$
Comme la résistance d'entrée est de très faible valeur, une petite valeur de V _EB suffit pour produire un flux de courant important de courant d'émetteurI_E.
La résistance de sortie r _o est le rapport de variation de la tension de base du collecteur ($\Delta{V_{CB}}$) au changement de courant de collecteur ($\Delta{I_{C}}$) à courant d'émetteur constant I_E.

$$r_{o}\:=\:\frac{\Delta{V_{CB}}}{\Delta{I_{C}}}\: at\: constant\:l_{E}$$
Comme la résistance de sortie est de valeur très élevée, un grand changement de V_CB produit un très petit changement dans le courant du collecteur I_C.
Cette configuration offre une bonne stabilité contre l'augmentation de la température.
La configuration CB est utilisée pour les applications haute fréquence.

Configuration de l'émetteur commun (CE)

Le nom lui-même implique que le EmitterLa borne est considérée comme une borne commune pour l'entrée et la sortie du transistor. La connexion d'émetteur commune pour les transistors NPN et PNP est illustrée dans la figure suivante.

Tout comme dans la configuration CB, la jonction d'émetteur est polarisée en direct et la jonction de collecteur est polarisée en inverse. Le flux d'électrons est contrôlé de la même manière. Le courant d'entrée est le courant de baseI_B et le courant de sortie est le courant du collecteur I_C ici.

Base Current Amplification factor (β)

Le rapport de variation du courant de collecteur ($\Delta{I_{C}}$) au changement du courant de base ($\Delta{I_{B}}$) est connu comme Base Current Amplification Factor. Il est noté β

$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{B}}}$$

Relation entre β et α

Essayons de dériver la relation entre le facteur d'amplification du courant de base et le facteur d'amplification du courant d'émetteur.

$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{B}}}$$

$$\alpha\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta{I_{E}}}$$

$$I_{E}\:=\:I_{B}\:+\:I_{C}$$

$$\Delta I_{E}\:=\:\Delta I_{B}\:+\:\Delta I_{C}$$

$$\Delta I_{B}\:=\:\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}$$

Nous pouvons écrire

$$\beta\:=\:\frac{\Delta{I_{C}}}{\Delta I_{E}\:-\:\Delta I_{C}}$$

Diviser par $$

$$ \ beta \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$

$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$

Nous avons

$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$

Par conséquent,

$$ \ beta \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} $$

D'après l'équation ci-dessus, il est évident que, lorsque α s'approche de 1, β atteint l'infini.

Par conséquent, the current gain in Common Emitter connection is very high. C'est la raison pour laquelle cette connexion de circuit est principalement utilisée dans toutes les applications de transistors.

Expression pour le courant de collecteur

Dans la configuration de l'émetteur commun, I_B est le courant d'entrée et I_C est le courant de sortie.

Nous savons

$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ = \: \ alpha (I_ {B} \: + \: I_ {C}) \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {C} \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} I_ {B} \: + \: \ frac {1} {1- \ alpha} \: I_ {CBO} $ $

Si le circuit de base est ouvert, c'est-à-dire si I_B = 0,

Le courant émetteur collecteur avec base ouverte est I _PDG

$$ I_ {PDG} \: = \: \ frac {1} {1- \ alpha} \: I_ {CBO} $$

En substituant la valeur de this dans l'équation précédente, nous obtenons

$$ I_ {C} \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$

$$ I_ {C} \: = \: \ beta I_ {B} \: + \: I_ {PDG} $$

Par conséquent, l'équation du courant de collecteur est obtenue.

Tension au genou

En configuration CE, en conservant le courant de base I_B constante, si V_CE est varié, I_C augmente de près de 1v de V_CEet reste constant par la suite. Cette valeur deV_CE jusqu'à quel courant de collecteur I_C change avec V_CE s'appelle le Knee Voltage. Les transistors fonctionnant en configuration CE, ils fonctionnent au-dessus de cette tension de coude.

Caractéristiques de la configuration CE

Cette configuration offre un bon gain de courant et un bon gain de tension.
En gardant V_CE constante, avec une légère augmentation de V_BE le courant de base I_B augmente rapidement que dans les configurations CB.
Pour toute valeur de V_CE au-dessus de la tension du genou, I_C est approximativement égal à βI_B.
La résistance d'entrée r_i est le rapport de variation de la tension de base de l'émetteur ($ \ Delta {V_ {BE}}$) to the change in base current ($\ Delta {I_ {B}} $) à tension d'émetteur de collecteur constante V_CE.

$$ r_ {i} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {B}}} \: at \: constant \: V_ {CE} $$
La résistance d'entrée étant de très faible valeur, une petite valeur de V_BE suffit à produire un grand flux de courant de courant de base I_B.
La résistance de sortie r_o est le rapport de variation de la tension de l'émetteur du collecteur ($ \ Delta {V_ {CE}}$) to the change in collector current ($\ Delta {I_ {C}} $) à constante I_B.

$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: at \: constant \: I_ {B} $$
Comme la résistance de sortie du circuit CE est inférieure à celle du circuit CB.
Cette configuration est généralement utilisée pour les méthodes de stabilisation de polarisation et les applications de fréquences audio.

Configuration du collecteur commun (CC)

Le nom lui-même implique que le CollectorLa borne est considérée comme une borne commune pour l'entrée et la sortie du transistor. La connexion de collecteur commune pour les transistors NPN et PNP est illustrée dans la figure suivante.

Tout comme dans les configurations CB et CE, la jonction d'émetteur est polarisée en direct et la jonction de collecteur est polarisée en inverse. Le flux d'électrons est contrôlé de la même manière. Le courant d'entrée est le courant de baseI_B et le courant de sortie est le courant d'émetteur I_E ici.

Current Amplification Factor (γ)

Le rapport de variation du courant de l'émetteur ($ \ Delta {I_ {E}}$) to the change in base current ($\ Delta {I_ {B}} $) est appelé Current Amplification factoren configuration de collecteur commun (CC). Il est désigné parγ.

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

Le gain de courant dans la configuration CC est le même que dans la configuration CE.
Le gain de tension en configuration CC est toujours inférieur à 1.

Relation entre γ et α

Essayons de dessiner une relation entre γ et α

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$

$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {E}}} $$

$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$

$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$

$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$

En substituant la valeur de I _B , nous obtenons

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {E}} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$

Division par $ \ Delta I_ {E} $

$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$

$$ \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$

$$ \ gamma \: = \: \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$

Expression du courant de collecteur

Nous savons

$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} \: = \: I_ {B} \: + \: (\ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO}) $$

$$ I_ {E} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$

$$ I_ {E} \: = \: \ frac {I_ {B}} {1 \: - \: \ alpha} \: + \: \ frac {I_ {CBO}} {1 \: - \: \ alpha} $$

$$ I_ {C} \: \ cong \: I_ {E} \: = \: (\ beta \: + \: 1) I_ {B} \: + \: (\ beta \: + \: 1) I_ {CBO} $$

Ce qui précède est l'expression du courant de collecteur.

Caractéristiques de la configuration CC

Cette configuration fournit un gain de courant mais pas de gain de tension.
En configuration CC, la résistance d'entrée est élevée et la résistance de sortie est faible.
Le gain de tension fourni par ce circuit est inférieur à 1.
La somme du courant du collecteur et du courant de base est égale au courant de l'émetteur.
Les signaux d'entrée et de sortie sont en phase.
Cette configuration fonctionne comme une sortie d'amplificateur non inverseuse.
Ce circuit est principalement utilisé pour l'adaptation d'impédance. Cela signifie, pour conduire une charge à faible impédance à partir d'une source à haute impédance.

L'alimentation en courant continu est prévue pour le fonctionnement d'un transistor. Cette alimentation en courant continu est donnée aux deux jonctions PN d'un transistor qui influence les actions des porteurs majoritaires dans ces jonctions d'émetteur et de collecteur.

Les jonctions sont biaisées en direct et inversées en fonction de nos besoins. Forward biased est la condition dans laquelle une tension positive est appliquée au type p et une tension négative est appliquée au matériau de type n. Reverse biased est la condition dans laquelle une tension positive est appliquée au type n et une tension négative est appliquée au matériau de type p.

Polarisation transistor

La fourniture d'une tension continue externe appropriée est appelée biasing. Une polarisation directe ou inverse est effectuée sur les jonctions d'émetteur et de collecteur du transistor. Ces méthodes de polarisation permettent au circuit de transistor de fonctionner dans quatre types de régions telles queActive region, Saturation region, Cutoff region et Inverse active region(rarement utilisé). Ceci est compris en regardant le tableau suivant.

JONCTION D'ÉMETTEUR	JONCTION DE COLLECTEUR	RÉGION D'OPÉRATION
Biaisé en avant	Biaisé en avant	Région de saturation
Biaisé en avant	Polarisée en inverse	Région active
Polarisée en inverse	Biaisé en avant	Région active inverse
Polarisée en inverse	Polarisée en inverse	Région limite

Parmi ces régions, la région active inverse, qui est juste l'inverse de la région active, ne convient à aucune application et n'est donc pas utilisée.

Région active

C'est la région dans laquelle les transistors ont de nombreuses applications. Ceci est également appelé commelinear region. Un transistor dans cette région, agit mieux comme unAmplifier.

Cette région se situe entre la saturation et la coupure. Le transistor fonctionne dans la région active lorsque la jonction d'émetteur est polarisée en direct et la jonction de collecteur est polarisée en inverse. À l'état actif, le courant du collecteur est β fois le courant de base, c'est-à-dire

$$ I_ {C} \: = \: \ beta I_ {B} $$

Où,

$ I_ {C} $ = courant du collecteur

$ \ beta $ = facteur d'amplification actuel

$ I_ {B} $ = courant de base

Région de saturation

C'est la région dans laquelle le transistor a tendance à se comporter comme un interrupteur fermé. Le transistor a pour effet de court-circuiter son collecteur et son émetteur. Les courants de collecteur et d'émetteur sont maximum dans ce mode de fonctionnement.

La figure ci-dessous montre un transistor fonctionnant dans la région de saturation.

Le transistor fonctionne dans la région de saturation lorsque les jonctions d'émetteur et de collecteur sont polarisées en direct. Comme il est entendu que, dans la région de saturation, le transistor a tendance à se comporter comme un interrupteur fermé, on peut dire que,

$$ I_ {C} \: = \: I_ {E} $$

Où $ I_ {C}$ = collector current and $I_ {E} $ = courant de l'émetteur.

Région limite

C'est la région dans laquelle le transistor a tendance à se comporter comme un interrupteur ouvert. Le transistor a pour effet d'ouvrir son collecteur et sa base. Les courants de collecteur, d'émetteur et de base sont tous nuls dans ce mode de fonctionnement.

La figure suivante montre un transistor fonctionnant dans la région de coupure.

Le transistor fonctionne dans la région de coupure lorsque les jonctions d'émetteur et de collecteur sont polarisées en inverse. Comme dans la région de coupure, le courant du collecteur, le courant de l'émetteur et les courants de base sont nuls, nous pouvons écrire comme

$$ I_ {C} \: = \: I_ {E} \: = \: I_ {B} \: = \: 0 $$

Où $ I_ {C}$ = collector current, $C'EST À DIRE}$ = emitter current, and $I_ {B} $ = courant de base.

Jusqu'à présent, nous avons discuté de différentes régions de fonctionnement d'un transistor. Mais parmi toutes ces régions, nous avons constaté que le transistor fonctionne bien dans la région active et par conséquent, il est également appelé commelinear region. Les sorties du transistor sont le courant du collecteur et les tensions du collecteur.

Caractéristiques de sortie

Lorsque les caractéristiques de sortie d'un transistor sont prises en compte, la courbe se présente comme ci-dessous pour différentes valeurs d'entrée.

Dans la figure ci-dessus, les caractéristiques de sortie sont établies entre le courant du collecteur I_C et tension de collecteur V_CE pour différentes valeurs de courant de base I_B. Celles-ci sont considérées ici pour différentes valeurs d'entrée afin d'obtenir différentes courbes de sortie.

Point de fonctionnement

Lorsqu'une valeur du courant de collecteur maximum possible est considérée, ce point sera présent sur l'axe Y, qui n'est rien d'autre que le saturation point. De plus, lorsqu'une valeur de la tension maximale possible de l'émetteur du collecteur est considérée, ce point sera présent sur l'axe X, qui est lecutoff point.

Lorsqu'une ligne est dessinée joignant ces deux points, une telle ligne peut être appelée Load line. Ceci est appelé ainsi car il symbolise la sortie à la charge. Cette ligne, lorsqu'elle est dessinée sur la courbe caractéristique de sortie, établit le contact en un point appeléOperating point.

Ce point de fonctionnement est également appelé quiescent point ou simplement Q-point. Il peut y avoir de nombreux points d'intersection de ce type, mais le point Q est sélectionné de telle manière que indépendamment de l'oscillation du signal alternatif, le transistor reste dans la région active. Cela peut être mieux compris grâce à la figure ci-dessous.

La ligne de charge doit être dessinée pour obtenir le point Q. Un transistor agit comme un bon amplificateur lorsqu'il est dans la région active et lorsqu'il est amené à fonctionner au point Q, une amplification fidèle est obtenue.

Faithful amplificationest le processus d'obtention de portions complètes du signal d'entrée en augmentant la force du signal. Ceci est fait lorsqu'un signal CA est appliqué à son entrée. Ceci est discuté dans le didacticiel AMPLIFICATEURS.

Ligne de charge CC

Lorsque le transistor reçoit la polarisation et qu'aucun signal n'est appliqué à son entrée, la ligne de charge dessinée dans une telle condition peut être comprise comme DCétat. Ici, il n'y aura pas d'amplification car le signal est absent. Le circuit sera comme indiqué ci-dessous.

La valeur de la tension de l'émetteur du collecteur à un moment donné sera

$$ V_ {CE} \: = \: V_ {CC} \: - \: I_ {C} R_ {C} $$

Comme V _CC et R _C sont des valeurs fixes, celle ci-dessus est une équation du premier degré et sera donc une ligne droite sur les caractéristiques de sortie. Cette ligne est appeléeD.C. Load line. La figure ci-dessous montre la ligne de charge CC.

Pour obtenir la ligne de charge, les deux extrémités de la ligne droite doivent être déterminées. Soit ces deux points A et B.

Pour obtenir un

Lorsque collecteur émetteur tension V _CE = 0, le courant de collecteur est maximale et est égale à V _CC / R _C . Cela donne la valeur maximale de V _CE . Ceci est montré comme

$$ V_ {CE} \: = \: V_ {CC} \: - \: I_ {C} R_ {C} $$

$$ 0 \: = \: V_ {CC} \: - \: I_ {C} R_ {C} $$

$$ I_ {C} \: = \: \ frac {V_ {CC}} {R_ {C}} $$

Cela donne le point A (OA = V _CC / R _C ) sur l'axe du courant du collecteur, illustré dans la figure ci-dessus.

Pour obtenir B

Lorsque le courant du collecteur IC = 0, alors la tension de l'émetteur du collecteur est maximale et sera égale à la VCC. Cela donne la valeur maximale de IC. Ceci est montré comme

$$ V_ {CE} \: = \: V_ {CC} \: - \: I_ {C} R_ {C} $$

$$ = \: V_ {CC} $$

(Comme I _C = 0)

Cela donne le point B, c'est-à-dire (OB = V _CC ) sur l'axe de tension collecteur-émetteur représenté sur la figure ci-dessus.

Par conséquent, nous avons déterminé à la fois la saturation et le point de coupure et avons appris que la ligne de charge est une ligne droite. Ainsi, une ligne de charge CC peut être dessinée.

L'importance de ce point de fonctionnement est mieux comprise lorsqu'un signal AC est donné à l'entrée. Cela sera discuté dans le didacticiel AMPLIFICATEURS.

Il existe de nombreux types de transistors utilisés. Chaque transistor est spécialisé dans son application. La classification principale est la suivante.

Le transistor primaire est le BJT et le FET est la version moderne du transistor. Jetons un coup d'œil aux BJT.

Transitor à jonction bipolaire

Un transistor à jonction bipolaire, appelé brièvement BJTest appelé ainsi car il a deux jonctions PN pour sa fonction. Ce BJT n'est rien d'autre qu'un transistor normal. Il a deux types de configurationsNPN et PNP. Habituellement, le transistor NPN est préféré pour des raisons de commodité. L'image suivante montre à quoi ressemble un BJT pratique.

Les types de BJT sont des transistors NPN et PNP. Le transistor NPN est réalisé en plaçant un matériau de type pt entre deux matériaux de type n. Le transistor PNP est réalisé en plaçant un matériau de type n entre deux matériaux de type p.

BJT est un appareil contrôlé par courant. Un transistor normal dont nous avons parlé dans les chapitres précédents relève de cette catégorie. Les fonctionnalités, les configurations et les applications sont les mêmes.

Transistor à effet de champ

Un FET est un dispositif semi-conducteur unipolaire à trois bornes. C'est unvoltage controlled devicecontrairement à un transistor à jonction bipolaire. Le principal avantage du FET est qu'il a une impédance d'entrée très élevée, qui est de l'ordre de Mega Ohms. Il présente de nombreux avantages comme une faible consommation d'énergie, une faible dissipation thermique et les FET sont des appareils très efficaces. L'image suivante montre à quoi ressemble un FET pratique.

Le FET est un unipolar device, ce qui signifie qu'il est fabriqué en utilisant un matériau de type p ou de type n comme substrat principal. Par conséquent, la conduction de courant d'un FET se fait soit par des électrons, soit par des trous.

Caractéristiques du FET

Voici les diverses caractéristiques d'un transistor à effet de champ.

Unipolar - Il est unipolaire car les trous ou les électrons sont responsables de la conduction.
High input impedance- Le courant d'entrée dans un FET circule en raison de la polarisation inverse. Par conséquent, il a une impédance d'entrée élevée.
Voltage controlled device - Comme la tension de sortie d'un FET est contrôlée par la tension d'entrée de grille, le FET est appelé en tant que dispositif commandé en tension.
Noise is low- Il n'y a pas de jonctions présentes dans le chemin de conduction. Par conséquent, le bruit est plus faible que dans les BJT.
Gain is characterized as transconductance. La transconductance est le rapport entre la variation du courant de sortie et la variation de la tension d'entrée.
The output impedance of a FET is low.

Avantages du FET

Pour préférer un FET au BJT, il devrait y avoir peu d'avantages à utiliser des FET, plutôt que des BJT. Essayons de résumer les avantages du FET par rapport au BJT.

JFET	BJT
C'est un appareil unipolaire	C'est un appareil bipolaire
Dispositif commandé par tension	Dispositif entraîné par courant
Impédance d'entrée élevée	Faible impédance d'entrée
Faible niveau de bruit	Niveau sonore élevé
Meilleure stabilité thermique	Moins de stabilité thermique
Le gain est caractérisé par la transconductance	Le gain est caractérisé par un gain de tension

Applications du FET

Le FET est utilisé dans les circuits pour réduire l'effet de charge.
Les FET sont utilisés dans de nombreux circuits tels que l'amplificateur de tampon, les oscillateurs à déphasage et les voltmètres.

Terminaux FET

Bien que FET soit un appareil à trois terminaux, ils ne sont pas les mêmes que les terminaux BJT. Les trois terminaux de FET sont Gate, Source et Drain. leSource terminal dans FET est analogue à l'émetteur dans BJT, tandis que Gate est analogue à Base et Drain au collectionneur.

Les symboles d'un FET pour les types NPN et PNP sont indiqués ci-dessous

La source

La borne source d'un transistor à effet de champ est celle par laquelle les porteuses entrent dans le canal.
Ceci est analogue à la borne d'émetteur dans un transistor à jonction bipolaire.
Le terminal source peut être désigné comme S.
Le courant entrant dans le canal au terminal source est indiqué par IS.

Porte

La borne Gate dans un transistor à effet de champ joue un rôle clé dans la fonction du FET en contrôlant le courant à travers le canal.
En appliquant une tension externe à la borne Gate, le courant qui la traverse peut être contrôlé.
Gate est une combinaison de deux terminaux connectés en interne qui sont fortement dopés.
La conductivité du canal est dite modulée par la borne Gate.
Ceci est analogue à la borne de base dans un transistor à jonction bipolaire.
Le terminal Gate peut être désigné comme G.
Le courant entrant dans le canal au terminal Gate est indiqué par IG.

Drainer

La borne Drain dans un transistor à effet de champ est celle par laquelle les porteurs quittent le canal.
Ceci est analogue à la borne de collecteur dans un transistor à jonction bipolaire.
La tension Drain to Source est désignée VDS.
Le terminal de vidange peut être désigné comme D.
Le courant sortant du canal à la borne de drain est indiquée comme I _D .

Types de FET

Il existe deux principaux types de FETS. Ce sont JFET et MOSFET. La figure suivante donne une classification supplémentaire des FET.

Dans les chapitres suivants, nous aurons une discussion détaillée sur JFET et MOSFET.

Le JFET est abrégé en Junction Field Effect Transistor. JFET est comme un FET normal. Les types de JFET sont le FET à canal n et le FET à canal P. Un matériau de type p est ajouté au substrat de type n dans le FET à canal n, tandis qu'un matériau de type n est ajouté au substrat de type pt dans le FET à canal p. Par conséquent, il suffit de discuter d'un type de FET pour comprendre les deux.

FET à canal N

Le FET à canal N est le transistor à effet de champ le plus utilisé. Pour la fabrication du FET Nchannel, une barre étroite de semi-conducteur de type N est prise sur laquelle un matériau de type P est formé par diffusion sur les côtés opposés. Ces deux côtés sont joints pour dessiner une seule connexion pour le terminal de porte. Cela peut être compris à partir de la figure suivante.

Ces deux dépôts de grille (matériaux de type p) forment deux diodes PN. La zone entre les portes est appelée comme unchannel. Les transporteurs majoritaires passent par ce canal. Par conséquent, la forme en coupe transversale du FET est comprise comme la figure suivante.

Des contacts ohmiques sont réalisés aux deux extrémités de la barre semi-conductrice de type n, qui forment la source et le drain. Les bornes de source et de drain peuvent être interchangées.

Fonctionnement du FET à canal N

Avant d'entrer dans le fonctionnement du FET, il faut comprendre comment les couches d'appauvrissement sont formées. Pour cela, supposons que la tension à la borne de grille diseV_GG est polarisée en inverse tandis que la tension à la borne de drain dit V_DDn'est pas appliqué. Que ce soit le cas 1.

Dans case 1, Quand V_GG est biaisé en inverse et V_DDn'est pas appliquée, les régions d'appauvrissement entre les couches P et N ont tendance à s'étendre. Cela se produit lorsque la tension négative appliquée attire les trous de la couche de type p vers la borne de grille.
Dans case 2, Quand V_DD est appliqué (borne positive au drain et borne négative à la source) et V_GG n'est pas appliqué, les électrons circulent de source vers drain qui constituent le courant de drain I_D.

Considérons maintenant la figure suivante, pour comprendre ce qui se passe lorsque les deux fournitures sont fournies.

L'alimentation à la borne de grille fait croître la couche d'appauvrissement et la tension à la borne de drain permet le courant de drain de la source à la borne de drain. Supposons que le point à la borne source est B et le point à la borne drain est A, alors la résistance du canal sera telle que la chute de tension à la borne A est supérieure à la chute de tension à la borne B. Ce qui signifie,

V_A>V_B

Par conséquent, la chute de tension est progressive sur toute la longueur du canal. Ainsi, l'effet de polarisation inverse est plus fort à la borne de drain qu'à la borne de source. C'est pourquoi la couche d'appauvrissement a tendance à pénétrer davantage dans le canal au point A qu'au point B, lorsque les deuxV_GG et V_DDsont appliqués. La figure suivante explique cela.

Maintenant que nous avons compris le comportement du FET, passons par le fonctionnement réel du FET.

Mode de fonctionnement d'épuisement

Comme la largeur de la couche d'appauvrissement joue un rôle important dans le fonctionnement du FET, le nom de mode de fonctionnement d'appauvrissement l'implique. Nous avons un autre mode appelé mode de fonctionnement d'amélioration, qui sera discuté dans le fonctionnement des MOSFET. MaisJFETs have only depletion mode De fonctionnement.

Considérons qu'il n'y a pas de potentiel appliqué entre les bornes porte et source et un potentiel V_DDest appliqué entre le drain et la source. Maintenant, un courantI_Ds'écoule du drain au terminal source, à son maximum car la largeur du canal est plus grande. Laissez la tension appliquée entre la porte et la borne sourceV_GGest biaisé en inverse. Cela augmente la largeur d'épuisement, comme indiqué ci-dessus. Au fur et à mesure que les couches se développent, la section transversale du canal diminue et donc le courant de drainI_D diminue également.

Lorsque ce courant de drain est encore augmenté, une étape se produit où les deux couches d'appauvrissement se touchent et empêchent le courant I_Dcouler. Ceci est clairement montré dans la figure suivante.

La tension à laquelle ces deux couches d'appauvrissement «touchent» littéralement est appelée «Pinch off voltage». Il est indiqué comme VP. Le courant de drain est littéralement nul à ce stade. Par conséquent, le courant de drain est fonction de la tension de polarisation inverse à la grille.

Puisque la tension de grille contrôle le courant de drain, le FET est appelé voltage controlled device. Ceci est mieux compris à partir de la courbe des caractéristiques du drain.

Caractéristiques de vidange du JFET

Essayons de résumer la fonction de FET à travers laquelle nous pouvons obtenir la courbe caractéristique de drain de FET. Le circuit du FET permettant d'obtenir ces caractéristiques est donné ci-dessous.

Lorsque la tension entre la grille et la source V_GS est zéro, ou ils sont en court-circuit, le courant I_D de la source au drain est également nul car il n'y a pas V_DSappliqué. Comme la tension entre le drain et la sourceV_DS est augmenté, le flux de courant I_Dde la source au drain augmente. Cette augmentation de courant est linéaire jusqu'à un certain pointA, connu comme Knee Voltage.

Les bornes de porte seront en condition de polarisation inverse et comme I_Daugmente, les régions d'épuisement ont tendance à se resserrer. Cette constriction est inégale en longueur, ce qui fait que ces régions se rapprochent au drain et plus loin au drain, ce qui conduit àpinch offTension. La tension de pincement est définie comme la tension minimale drain-source où le courant drain s'approche d'une valeur constante (valeur de saturation). Le point auquel cette tension de pincement se produit est appeléPinch off point, noté B.

Comme V_DS est encore augmentée, la résistance du canal augmente également de telle sorte que I_Dreste pratiquement constant. La régionBC est connu comme saturation regionou région de l'amplificateur. Tous ces éléments ainsi que les points A, B et C sont représentés dans le graphique ci-dessous.

Les caractéristiques du drain sont tracées pour le courant de drain I_D contre la tension de source de drain V_DSpour différentes valeurs de tension de source de grille VGS. Les caractéristiques de drain globales pour ces diverses tensions d'entrée sont indiquées ci-dessous.

Comme la tension de grille négative contrôle le courant de drain, le FET est appelé dispositif commandé en tension. Les caractéristiques du drain indiquent les performances d'un FET. Les caractéristiques de drain tracées ci-dessus sont utilisées pour obtenir les valeurs de résistance de drain, de transconductance et de facteur d'amplification.

Les FET présentent quelques inconvénients comme une résistance de drain élevée, une impédance d'entrée modérée et un fonctionnement plus lent. Pour surmonter ces inconvénients, le MOSFET qui est un FET avancé est inventé.

MOSFET signifie transistor à effet de champ à oxyde métallique de silicium ou transistor à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique. Ceci est également appelé IGFET qui signifie transistor à effet de champ à grille isolée. Le FET fonctionne à la fois dans les modes de fonctionnement d'épuisement et d'amélioration. La figure suivante montre à quoi ressemble un MOSFET pratique.

Construction d'un MOSFET

La construction d'un MOSFET est un peu similaire à celle du FET. Une couche d'oxyde est déposée sur le substrat auquel la borne de grille est connectée. Cette couche d'oxyde agit comme un isolant (sio ₂ isole du substrat), et par conséquent le MOSFET a un autre nom comme IGFET. Dans la construction du MOSFET, un substrat légèrement dopé, est diffusé avec une région fortement dopée. Selon le substrat utilisé, ils sont appelésP-type et N-type MOSFET.

La figure suivante montre la construction d'un MOSFET.

La tension à la grille contrôle le fonctionnement du MOSFET. Dans ce cas, des tensions positives et négatives peuvent être appliquées sur la grille car elle est isolée du canal. Avec une tension de polarisation de grille négative, il agit commedepletion MOSFET tandis qu'avec une tension de polarisation de grille positive, il agit comme un Enhancement MOSFET.

Classification des MOSFET

Selon le type de matériaux utilisés dans la construction et le type d'opération, les MOSFET sont classés comme dans la figure suivante.

Après la classification, passons en revue les symboles du MOSFET.

le N-channel MOSFETs sont simplement appelés comme NMOS. Les symboles du MOSFET à canal N sont indiqués ci-dessous.

le P-channel MOSFETs sont simplement appelés comme PMOS. Les symboles du MOSFET à canal P sont indiqués ci-dessous.

Passons maintenant en revue les détails de construction d'un MOSFET à canal N. Habituellement, un MOSFET NChannel est considéré comme explication car celui-ci est principalement utilisé. De plus, il n'est pas nécessaire de mentionner que l'étude d'un type explique aussi l'autre.

Construction d'un MOSFET à canal N

Considérons un MOSFET à canal N pour comprendre son fonctionnement. On prend un substrat de type P légèrement dopé dans lequel sont diffusées deux régions de type N fortement dopées, qui jouent le rôle de source et de drain. Entre ces deux régions N +, il se produit une diffusion pour former un canal N, reliant drain et source.

Une fine couche de Silicon dioxide (SiO₂)se développe sur toute la surface et des trous sont faits pour dessiner des contacts ohmiques pour les bornes de drain et de source. Une couche conductrice dealuminum est posé sur tout le canal, sur ce SiO₂couche de source au drain qui constitue la grille. leSiO₂ substrate est connecté aux bornes communes ou de masse.

En raison de sa construction, le MOSFET a une surface de puce très inférieure à celle du BJT, qui représente 5% de l'occupation par rapport au transistor à jonction bipolaire. Cet appareil peut être utilisé en modes. Ce sont des modes d'épuisement et d'amélioration. Essayons d'entrer dans les détails.

Fonctionnement du MOSFET à canal N (mode d'épuisement)

Pour l'instant, nous avons l'idée qu'il n'y a pas de jonction PN présente entre la porte et le canal, contrairement à un FET. On peut également observer que, le canal diffusé N (entre deux régions N +), leinsulating dielectric SiO₂ et la couche métallique d'aluminium de la grille forment ensemble un parallel plate capacitor.

Si le NMOS doit fonctionner en mode d'appauvrissement, la borne de grille doit être au potentiel négatif tandis que le drain est au potentiel positif, comme le montre la figure suivante.

Lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre la grille et la source, un certain courant circule en raison de la tension entre le drain et la source. Laissez une tension négative est appliquée àV_GG. Ensuite, les porteurs minoritaires, c'est-à-dire les trous, sont attirés et s'installent prèsSiO₂couche. Mais les porteurs majoritaires, c'est-à-dire les électrons, sont repoussés.

Avec une certaine quantité de potentiel négatif à V_GG une certaine quantité de courant de drain I_Ds'écoule de la source vers le drain. Lorsque ce potentiel négatif est encore augmenté, les électrons s'épuisent et le courantI_Ddiminue. D'où le plus négatif appliquéV_GG, plus la valeur du courant de drain est faible I_D sera.

Le canal le plus proche du drain est plus épuisé qu'à la source (comme dans le FET) et le flux de courant diminue en raison de cet effet. Par conséquent, il est appelé MOSFET en mode d'appauvrissement.

Fonctionnement du MOSFET N-Channel (Enhancement Mode)

Le même MOSFET peut être travaillé en mode amélioration, si nous pouvons changer les polarités de la tension V_GG. Alors, considérons le MOSFET avec une tension de source de grilleV_GG étant positif comme le montre la figure suivante.

Lorsqu'aucune tension n'est appliquée entre la grille et la source, un certain courant circule en raison de la tension entre le drain et la source. Laissez une certaine tension positive est appliquée àV_GG. Ensuite, les porteurs minoritaires, c'est-à-dire les trous, sont repoussés et les porteurs majoritaires, c'est-à-dire les électrons, sont attirés vers leSiO₂ couche.

Avec un certain potentiel positif à V_GG une certaine quantité de courant de drain I_Ds'écoule de la source vers le drain. Lorsque ce potentiel positif est encore augmenté, le courantI_D augmente en raison du flux d'électrons de la source et ceux-ci sont poussés plus loin en raison de la tension appliquée à V_GG. D'où le plus positif appliquéV_GG, plus la valeur du courant de drain I_Dsera. Le flux de courant est amélioré en raison de l'augmentation du flux d'électrons mieux qu'en mode d'épuisement. Par conséquent, ce mode est appeléEnhanced Mode MOSFET.

P - MOSFET de canal

La construction et le fonctionnement d'un PMOS sont identiques à ceux du NMOS. Un légèrement dopén-substrate est pris dans lequel deux fortement dopés P+ regionssont diffusés. Ces deux régions P + agissent comme source et drain. Une fine couche deSiO₂est cultivé sur la surface. Des trous sont percés à travers cette couche pour établir des contacts avec les régions P +, comme illustré dans la figure suivante.

Fonctionnement du PMOS

Lorsque la borne de grille reçoit un potentiel négatif à V_GG que la tension de la source de drain V_DD, puis en raison des régions P + présentes, le courant de trou est augmenté à travers le canal P diffusé et le PMOS fonctionne en Enhancement Mode.

Lorsque la borne de porte reçoit un potentiel positif à V_GG que la tension de la source de drain V_DD, puis en raison de la répulsion, l'épuisement se produit en raison de laquelle le flux de courant diminue. Ainsi PMOS fonctionne dansDepletion Mode. Bien que la construction diffère, le fonctionnement est similaire dans les deux types de MOSFET. Par conséquent, avec le changement de polarité de tension, les deux types peuvent être utilisés dans les deux modes.

Cela peut être mieux compris en ayant une idée sur la courbe des caractéristiques du drain.

Caractéristiques du drain

Les caractéristiques de drain d'un MOSFET sont tirées entre le courant de drain I_D et la tension de la source de drain V_DS. La courbe caractéristique est la suivante pour différentes valeurs d'entrées.

En fait, quand V_DS est augmenté, le courant de drain I_D devrait augmenter, mais en raison de l'application V_GS, le courant de drain est contrôlé à un certain niveau. Par conséquent, le courant de grille contrôle le courant de drain de sortie.

Caractéristiques de transfert

Les caractéristiques de transfert définissent la variation de la valeur de V_DS avec le changement de I_D et V_GSdans les deux modes d'épuisement et d'amélioration. La courbe caractéristique de transfert ci-dessous est dessinée pour le courant de drain par rapport à la tension grille à source.

Comparaison entre BJT, FET et MOSFET

Maintenant que nous avons discuté de tous les trois ci-dessus, essayons de comparer certaines de leurs propriétés.

TERMES	BJT	FET	MOSFET
Type d'appareil	Contrôle actuel	Tension contrôlée	Tension contrôlée
Flux de courant	Bipolaire	Unipolaire	Unipolaire
Terminaux	Non interchangeable	Interchangeable	Interchangeable
Modes de fonctionnement	Aucun mode	Mode d'épuisement uniquement	Modes d'amélioration et d'épuisement
Impédance d'entrée	Faible	Haute	Très haut
Résistance de sortie	Modérer	Modérer	Faible
Vitesse opérationnelle	Faible	Modérer	Haute
Bruit	Haute	Faible	Faible
Stabilité thermique	Faible	Meilleur	Haute

Jusqu'à présent, nous avons discuté de divers composants électroniques et de leurs types ainsi que de leur construction et de leur fonctionnement. Tous ces composants ont diverses utilisations dans le domaine de l'électronique. Pour avoir une connaissance pratique de la manière dont ces composants sont utilisés dans les circuits pratiques, veuillez vous référer au tutoriel CIRCUITS ÉLECTRONIQUES.