Elettronica applicata e misure
Prefazione
Appunti del corso di Elettronica
applicata e misure.
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Prefazione degli studenti
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Questo documento vuole rappresentare un insieme di appunti di supporto del corso di Elettronica
applicata e misure.!
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Il seguente documento è un insieme di appunti del corso di Elettronica applicata e misure. Si vuol
ricordare che tali appunti possono essere affetti da errori e imprecisioni e per questo motivo si
richiede di comunicare ai sottoscritti, alle email: [email protected] e
[email protected], con eventuali correzioni e/o suggerimenti nella stesura, indicando
chiaramente il documento a cui si riferisce.!
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In quanto si tratta di un documento di appunti di libera pubblicazione gli autori non si assumono
alcuna responsabilità del contenuto.!
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Il testo è stato redatto attraverso l’applicativo Pages® for Mac; alcuni grafici sono realizzati
attraverso il software di calcolo numerico Grapher®, alcuni sono stati disegnati a mano tramite il
software di disegno a mano libera Penultimate® altri ancora sono stati presi direttamente dalle
slide disponibili sul portale; per la rappresentazione di alcuni circuiti è stato usato iCircuit®.!
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Come usare gli appunti.!
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Tali appunti sono stati concepiti in modo tale da essere utilizzati con il supporto delle slide del
professore, infatti viene seguita la stessa suddivisione delle lezioni. Il titolo in rosso all’inizio di
ciascuna lezione rappresenta il titolo della lezione stessa, mentre i vari sottotitoli in rosso nel
documento sono associati al numero della pagina della slide di riferimento.!
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Gli appunti sono divisi in base a ciascuna lezione:!
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Misure !
A. Parte I!
1. Oscilloscopio digitale (scritti a mano)!
2. Generalità misure (scritti a mano)!
3. Stima Incertezze!
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F. Parte II!
1. Voltmetri digitali !
2. Voltmetri AC !
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G. Parte II!
1. Sensori di temperatura (prima parte)!
3. Misure tempo e frequenza!
4. Generatori di segnale!
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A. A. 2013 / 2014
Elettronica applicata e misure
Prefazione
Elettronica applicata!
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B. GRUPPO B - Circuiti digitali!
1. Richiami su circuiti logici (scritti a mano)!
2. Parametri dinamici dei Flip Flop (scritti a mano)!
3. Circuiti sequenziali (scritti a mano)!
4. Logiche programmabili (scritti a mano)!
6. Comparatori di soglia (scritti a mano)!
7. Generatore onda quadra !
8. Esercitazione 2!
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C. Bus e interconnessioni!
1. Interconnessioni !
2. Modelli a linea di trasmissione!
3. Connessioni con linee!
4. Cicli di trasferimento base!
5. Protocolli di bus!
6. Esercitazione 3: Collegamenti seriali !
7. Collegamenti seriali asincroni!
8. Collegamenti seriali sincroni!
9. Integrità di segnale!
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D. Sistemi di acquisizione dati!
1. Integrità di segnale!
2. Convertitori D/A!
3. Conversione A/D!
4. Convertitori pipeline e differenziali!
5. Condizionamento del segnale!
6. Filtri!
7. Esercitazione 4: Sistemi di conversione!
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E. Alimentatori e regolatori !
1. Circuiti di potenza !
2. Sistemi di alimentazione !
3. Regolatori a commutazione!
4. Altri sistemi di alimentazione (non è stato trattato nell’A.A. 2013/2014)!
5. Esercitazione 5: regolatori lineari e SW.
A. A. 2013 / 2014
II
Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
Gruppo lezioni E1
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Circuiti di potenza
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1. Introduzione
In questa lezione vedremo:!
• dispositivo di potenza;!
• limiti operativi;!
• analisi termica;!
• circuiti di comando.!
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2. I sistemi elettronici
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3. Indice della lezione
Caratteristiche di componenti “di potenza”:!
1. limiti di correnti/tensioni.!
2. problemi termici, Safe Operating Area (SOA).!
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Come fornire energia a un sistema elettronico:!
1. alimentatori; !
2. batterie primarie e secondarie (ricaricabili) !
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Esempi di circuiti di potenza: !
1. stadi di uscita; !
2. protezioni; !
3. alimentatori e regolatori lineari; !
4. regolatori a parzializzazione (commutazione). !
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
4. Parte 1 - Circuiti di potenza
In un sistema elettronico sono presenti alcune parti che sono adibite alla gestione della potenza!
per l’intera struttura. Di ali parti studieremo i modelli e i parametri. I principali sono diodi!
raddrizzatori, diodi Zener, transistori (MOS e BJT) e altri.!
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I dispositivi BJT e MOS vengono utilizzati come interruttori. !
Riferimenti bibliografici: !
· M. Zamboni: Elettronica dei sistemi di interc. e acq.: cap. 6; !
· F. Maloberti: Understanding Microelectr. !
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5. Dove occorre gestire la potenza
L’alimentatore è la parte principale del sistema alimentazione. Esso fornisce energia in modo quasi!
costante. Il suo compito è quello di fornire l’energia ai vari moduli. L’energia che fornisce!
l’alimentatore proviene da batterie, accumulatori, celle solari, … . La tensione di energia è!
dolosamente o 220V/110V a 50/60 Hz. !
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La tensione in uscita dall’alimentatore deve essere ben definita anche nei casi in cui l’energia di!
ingresso variasse (rete, stato batterie, … ). L’energia richiesta in uscita viene chiamata corrente al!
carico. Si devono tenere conto di alcuni parametri, come l’ambiente. !
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Gli amplificatori utilizzati come circuiti di potenza vengono visti come alimentatori variabili (utili nei!
contesti di energia variabile). !
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Tra i due tipi di alimentatori visti adesso (ad energia costante e ad energia variabile) per entrambi!
deve esserci un alto rendimento con basse perdite. !
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6. Altri moduli funzionali di potenza
L’energia può essere fornita in diversi modi e può pure essere convertita a seconda dei casi; le!
varie tipologie di conversione sono: !
1. AC -> DC (alimentatore classico); !
2. DC -< DC (alimentazioni a batteria, alimentazioni isolate, regolatori, …); !
3. DC -> AC (inverter (devono essere in grado di generare 220V dalle batterie); !
4. AC -> AC (sono i trasformatori); !
5. energia chimica <-> DC (batterie e accumulatori); !
6. energia meccanica <-> AD o DC (generatori, dinamo, attuatori, …); !
7. altro (celle solari, …). !
Come prima, si cerca sempre di avere un alto rendimento con basse perdite. !
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7. Esempio 1 - La conversione AC -> DC
Si può effettuare la conversione da AC a DC attraverso!
un raddrizzatore a semionda, nel quale la tensione di!
ingresso è Vi (che è
la tensione in AC
che si vuole!
convertire), nel
raddrizzatore c’è un
condensatore C per!
la tensione di uscita
costante (quasi
DC). Mentre Vo è la!
tensione di uscita in DC ma con ondulazione. Il circuito!
base per la conversione da AC a DC lo si vedrà meglio!
nella lezione E2. !
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
8. I diodi Zener
Tutte le giunzione (BJT, MOS, …) hanno una tensione di!
breakdown. Nelle giunzioni “normali” questa tensione si deve evitare, poiché è!
possibile che si causino dei danni irreparabili ai circuiti e ai dispositivi interessati.!
Tuttavia esiste una classe di dispositivi progettati appositamente per lavorare in!
zona di breakdown senza correre il rischio di danneggiarsi: sono i diodi Zener.!
Tali diodi vengono usati per la protezione di altri circuiti, per regolare la tensione!
(per le basse potenze) e per generare delle tensioni di riferimento (a basso
costo). !
Di solito il diodo deve funzionare lontano dalla zona di rottura inversa o
breakdown. Se il diodo funziona in quest'ultima zona potrebbe rompersi. Invece la
zona in cui diodo può lavorare è il primo quadrante nella quale non ci sono pericolo di rottura.
Esistono dei diodi particolari chiamati diodi Zener coi quali si può lavorare nella zona di
breakdown, anzi, sono progettati appositamente a questo scopo. Nella zona di breakdown un
diodo Zener è in conduzione.!
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9. La caratteristica i(v) di un diodo Zener
Una delle prime e principali!
caratteristiche di un diodo!
Zener è la tensione i(v). Nei!
diodi Zener Iz e Vz hanno!
polarità invertita rispetto a Id e!
Vd. I diodi standard lavorano!
in polarizzazioni sia dirette sia!
inverse. Il breakdown è!
normalmente una situazione!
di malfunzionamento. Invece!
gli Zener lavorano solo in!
polarizzazione inversa e in!
zona di breakdown (senza rottura). !
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10. Il circuito equivalente di un diodo Zener
·Vzo (modello lineare) !
·Rz ΔV / ΔI (rappresenta la pendenza) !
·Izmin: è la corrente minima necessaria per poter uscire!
dalla zona di ginocchio è il punto in cui la caratteristica
lascia il primo quadrante. !
·Pdmax (o Izmax): sono limitate dall’incremento di!
temperatura. !
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Equivalenza Thevenin è come viene rappresentato il diodo
come circuito elettronico.!
Izmin è la retta verde per la quale sopra ad essa la retta
ideale e il grafico ideale del diodo coincidono, mentre sotto
non coincidono. (cerchio verde figura sotto e questa zona si
chiama anche ginocchio).!
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
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Per non rompere il diodo si deve stare al di sotto di quella iperbole che si vede in verde in figura
(sopra) questo perché il diodo può al massimo disperdere una certa potenza e questa potenza è al
massimo Px (ad esempio) ma la Px è formata dal prodotto di I e V. Quindi dove sta quel prodotto?
Su una iperbole perché al diminuire di I aumenta V e viceversa.!
Al di sopra di questa iperbole il diodo si spacca. Ma al di sotto no. Quindi si deve stare sotto questa
iperbole. !
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Se si usa un diodo nel deserto dove la temperatura media è di 50° centigradi allora l'iperbole che
definisce il valore massimo della potenza si può utilizzare sarà molto più in basso rispetto a quella
stessa funzione traslata attualmente in alto se il componente lavora a temperatura ambiente di
-50°. Questo perché nel deserto parte già in qualche modo caldo e quindi per arrivare a una
temperatura ad esempio i 150° (esempio di temperatura per fondersi) dovrà semplicemente
aggiungere 100° per arrivare a 150°. Se invece si trova -50° allora dovrà aggiungere ben 200° per
riuscire a fondersi e quindi l'iberbola dovrà spostarsi in alto. Poiché dovrà immettere più energia.!
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11. L’impiego di un diodo Zener
La tensione di breakdown inversa può essere usata per generare!
un riferimento stabile di tensione. La tensione di breakdown è Vz.!
La tensione di uscita è pari alla tensione Vz di breakdown, anche in!
caso di variazioni della tensione in ingresso di V (per questo!
vengono usati come generatori di tensioni di riferimento o!
raddrizzatori). La resistenza R invece serve a limitare la corrente nel!
diodo. Per eseguire un’analisi dettagliata, bisogna tener conto della!
corrente a riposo. !
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La freccia rossa indica il verso di percorrenza della corrente per un diodo
zener mentre la freccia sarebbe opposta se il diodo è normale. !
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Elettronica Applicata e Misure
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Con queste tipologie di diodo si vuole avere un riferimento ad esempio a
massa (come in questo caso). Per far ciò occorre considerare considerare
la trans caratteristica di questo diodo e prendere in considerazione il
circuito (qui a lato). Analizzando tale circuito si nota che la corrente
denotata dalla freccia rossa va sul diodo se non vi è attaccata nessuno
carico in parallelo al diodo stesso. !
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Se invece ci è un carico allora una parte di questa corrente denominata con la linea rossa andrà in
parte sulla resistenza (linea verde della corrente che dà sul carico in parallelo al diodo). Ora
considerando la transcaratteristica del diodo si può vedere che variando la corrente che attraversa
tale diodo non siano significativi variazioni di tensioni sul diodo, quindi mettendo determinati carichi
si andrà a variare la corrente che passa nel diodo senza variabile la tensione o meglio dire la
differenza di potenziale che c'è tra esso i capi. Di conseguenza ponendo da un lato la V=0 si potrà
dire che dall'altra parte Vx sarà sempre uguale allo stesso valore anche se la corrente varia.!
Bisogna ricordare che la corrente che circola nel diodo dovrà non superare una certa corrente
denominata corrente massima e non dovrà essere inferiore a una certa corrente denominata come
corrente minimo. Se tale condizione è rispettata allora si hanno gli effetti descritti in precedenza e
più in particolare quel punto sarà sempre alla stessa differenza di potenziale grazie al teorema dei
nodi o in questo caso alle proprietà del diodo utilizzato. !
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12. Il punto di funzionamento di un diodo Zener
La caratteristica I(V) del bipolo di sinistra (Vs + R) è in rosso.!
La caratteristica I(V) dello Zener è invece in blu. Il punto di!
funzionamento è quello individuato dall’intersezione delle due!
caratteristiche. La tensione di uscita V è Va, lo Zener è in!
breakdown, ma tale tensione V non cambia neanche per!
piccole variazioni di I e di Vsu, viene eseguita quindi una!
regolazione della V. !
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
Se si prende in considerazione il circuito elettronico
equivalente al grafico che rappresenta le due
caratteristiche (uno del periodo e l'altro del generatore
con la resistenza (Rs)). Tale circuito ha un'uscita tale
uscita sono due morsetti che puntano ai due rami del
diodo. Se si varia il generatore di tensione si andrà a
variare la caratteristica del diagramma, la quale non avrà
più come punto di funzionamento quello indicato come
intersezione tra la caratteristica del diodo della linea
rossa ma sarà un po' più in alto o un po' più in basso a
seconda che il generatore dia una tensione più alta o più
bassa. Ciò che è interessante da notare è che sebbene
il generatore possa cambiare la sua tensione il punto di
funzionamento di tale circuito sarà sempre intersezione
tra la retta e la caratteristica del diodo. Il diodo cambierà
tensione di poco sebbene il generatore possa cambiare
tensione anche di tanto, ciò che è da tenere sotto
controllo è la corrente poiché diodo non cambia tanto di
tensione ma quanto di corrente.!
Se si fa finta che il generatore sia una dinamo che è
collegata all’albero motore allora più l'albero motore
girerà velocemente e più tali dinamo o dura una retta
che va in alto ma la tensione non varierà più di tanto
mentre varierà molto la corrente.!
Il succo del discorso è che i capi del diodo dopo la tensione rimane invariata sebbene varia di
molto poco rispetto alla variazione che si potrebbe essere sul generatore e alla variazione molto
alta della corrente.!
Tuttavia bisogna tener presente che il diodo debba sempre funzionare nella SOA. Se questa
condizione non è verificata si potrebbe distruggere il diodo.!
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13. I dispositivi bipolari (BJT) di potenza
La relazione base per i transitori bipolari è: !
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·Ic = β · Ib !
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I parametri più significativi per le applicazioni di potenza sono!
divisibili in cinque classi: !
1.Vcebr: tensione C-E di breakdown; !
2.Icmax: massima corrente di collettore; !
3.β: guadagno di corrente, che è basso per correnti elevate; !
4.Vcesat: è la tensione C-E in saturazione; !
5.poi c’è una serie di altri parametri di tipo tecnico, come la!
potenza massima (Pdmax) e la resistenza termica(Rθ). !
La relazione non funzione per Ic=BIb la si usa quando quando è in saturazione.!
Come per ogni circuito si ha una tensione massima dopo la quale è stata componente e una
corrente massima che si può mettere altrimenti oltre quella soglia si rischia di spaccare il
componente.!
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
14. Interruttore o amplificatore?
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Un dispositivo si comporta da interruttore o da!
amplificatore? Per poter rispondere si deve osservare la!
sua caratteristica: !
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1.é un amplificatore se Vce e Ic ≠ 0 nella regione attiva; !
2.è un interruttore ON se Vce ≈ 0 nella zona di!
saturazione; !
3.è un interruttore OFF se Ic ≈ 0 nella zona di!
interdizione (Cutoff). !
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Cerchio verde in basso viene detto interdetto.!
Cerchio con centro Q viene detto zona attiva o lineare!
Cerchio rosso al lato viene detto in saturazione!
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15. Il transistore BJT come interruttore
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I punti di!
funzionamento sono!
quelli cerchiati in rosso!
e in verde nella retta di!
carico. !
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Di solito l'emettitore è
collegato a massa nei
circuiti, in questo modo
almeno una resistenza
(ma anche di più) in modo tale da rendere
lineare più possibile il circuito. Queste
resistenze vengono messe tra la massa e
l'emettitore. !
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La corrente di base generata dal generatore può
essere di due tipi o di un certo valore X oppure pari a zero ossia non c'è nessuna corrente che
arriva alla base.!
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In questa figura notiamo che la parte
verde o meglio dire la parte circoscritta
nell'insieme verde è la parte di
alimentazione la quale ha sia un
generatore che una resistenza di carico. !
Il generatore e la resistenza di carico
fanno sì da dare una linea lineare in altre
parole per determinare la linea presente
nel grafico, si devono avere due punti.
Poiché tra due punti passa una e una
sola retta. Il primo punto è data
dall'attenzione a vuoto in cui la tensione
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
di collettore è uguale alla tensione del generatore poiché non c'è passaggio di corrente. Il secondo
punto è dato mettendo in corto circuito la resistenza e il generatore. In questo caso si avrebbe una
corrente passante nella resistenza varia V/r.!
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nel grafico si hanno due
cerchi blu i quali indicano
le due possibili intersezioni
tra la retta lineare e la
caratteristica non lineare
del BJT. In parole molto
povere quando
l'interlocutore è aperto o
meglio dire quando non
passa corrente un'anima
corrente nella base allora
l'interruttore è aperto e !
quindi non circola corrente nel circuito in cui vi è un generatore di tensione e la resistente di carico.
Mentre quando l'interruttore (BJT) è chiuso allora c'è corrente del collettore di base e quindi c'è
passaggio di corrente e quindi il generatore la resistenza circola corrente in essi.!
Poiché nella base del BJT o c'è quella determinata corrente oppure non c'è corrente quindi questo
circuito è un circuito booleano ossia on/off. !
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16. I parametri critici in saturazione
In fase di saturazione, il funzionamento è basato sui portatori minoritari, per i quali la dinamica è!
piuttosto lenta e dipende fortemente dalla temperatura. Inoltre si ha una elevata Vcesat che!
dipende molto da Ic (per esempio per circa 0.1A si ha 1V), poi il parametro β diminuisce per le!
correnti elevate. Si ha un basso guadagno (5…20) che è inferiore per i dispositivi che hanno!
elevate tensioni. Bisogna quindi garantire una saturazione profonda (elevata corrente Ib, utilizzare!
configurazione Darlington, …). Icb0 è la corrente di perdita tra base e collettore quando è in zona
interdetta.!
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17. Il modello per BJT in interdizione
Il caso ideale è rappresentato da Ib e Ic entrambi nulli. Tuttavia sian una corrente di perdita nella!
giunzione BC: Icbo. Se la Base è aperta, allora Icbo rientra come Ib e quindi Iceo = β · Icbo. !
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Il parametro Iceo è la causa di dissipazione, se si ha un incremento di temperatura allora si ha una!
maggiore corrente di perdita e quindi una ulteriore incremento di temperatura, seguito da una!
maggiore corrente di perdita e così via. Questo ciclo viene conosciuto come thermal runaway
(fuga termica).!
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Utilizzare dispositivi multipli, con ripartizione di corrente, rappresenta un’ottima soluzione a questo!
inconveniente. Si cerca così di rimuovere Icbo dalla Base, ponendo anche una resistenza verso!
massa e ponendo una polarizzazione inversa nella giunzione BE (senza breakdown ). !
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In sostanza se la temperatura è poco elevata non si ha questo fenomeno altrimenti si.!
Per di più si è nella zona di interdizione che vuol dire che I è bassa ma V è alta quindi la potenza
dissipata è elevata perché P=VI.!
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
18. Il MOSFET di potenza
I MOSFET a bassa corrente possono essere usati sia per i dispositivi!
a bassa corrente sia per quelli ad alta corrente. !
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Per i dispositivi a bassa corrente, si hanno strutture di MOSFET!
planari, Imax e Vbreakdown dipendono da W e da L del canale. !
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In sostanza per eliminare questo problema si mette qualcosa che fa in modo di "scaricare" la
corrente nel modulo che pilota l'interruttore ad esempio.!
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Maggiore è L ossia più è distante il source dal drain e più la tensione di rottura è elevata.!
La corrente può andare da source a drain a seconda di come è fatto il mosfet.!
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Per quelli ad alta corrente, le strutture sono più verticali. La!
Vbreakdown è legata al drogaggio e allo spessore dello strato N!
(verticale). Imax è in funziona di W e di L come per i dispositivi a!
bassa corrente. La struttura verticale è adatta per elevate V e I. !
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19. Componenti parassiti nei MOSFET
La struttura verticale crea una giunzione!
pn tra body (S) e substrato (D). La!
corrente può sempre scorrere da S a D.!
Il MOS di potenza è quindi un!
interruttore a 1-quadrante: !
·1-quadrante significa che si una una!
unica polarità di V e di I; !
·gli interruttori a 4-quadranti richiedono!
almeno due MOS; !
·la struttura verticale crea anche un BJT!
parassita (che in figura non è
rappresentato). !
Significa che si può fare circolare la
corrente dal drain al source e non viceversa.!
Quindi per avere la corrente che circola in entrambi le
direzioni si deve avere 2 mosfet.!
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20. La caratteristica di uscita dei MOSFET
La zona verde!
rappresenta
l’interruttore!
su ON mentre la zona!
rossa rappresenta!
‘l'interruttore su OFF.!
L’amplificatore è!
rappresentato dalla
zona!
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
di saturazione in blu. Nei!
MOS ha un significato!
diverso, nei BJT viene!
chiamata regione attiva. !
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non si parla più di corrente di base ma di
tensioni di gate.!
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il mosfet come il bjt ha le sue zone di lavoro:
nella circonferenza in verde in basso si parla di
un interdizione o off.!
Per circonferenza in cui passa la linea rossa rappresenta quando il mosfet è su on. In quella zona
può essere assimilabile a una resistenza denominata come Rdson ossia una resistenza di drain al
source su on. In questa zona al variare della tensione varia anche la corrente.!
La zona indicata con la circonferenza blu e indicata come zona di saturazione e di là corrente
rimane costante al variare della tensione, è l'opposto di quanto accadeva con i bjt.!
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21. I parametri di MOS in commutazione
Adesso osserviamo il comportamento di tali dispositivi nelle fasi di commutazione. Quando il BJT è!
su ON, il parametro principale è la resistenza equivalente Ron. Mentre è su OFF il parametro!
principale è Ioff. I parametri dinamici sono: !
1. la capacità GS; !
2. la capacità DS; !
3. e diverse capacità parassite verso il substrato. !
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I mosfet sono pilotati da delle capacità, in altre parole per aprire o chiudere un interruttore fatto con
questa tecnologia si deve caricare o o o scaricare tale capacità. Queste capacità possono essere
anche abbastanza elevate (1nF, 100nF). Quindi in gioco ci sono molte correnti le quali devono
caricare e scaricare a seconda dei casi queste capacità.!
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22. Confronto tra MOSFET e BJT
Quello che si può dire facendo un confronto tra MOS e BJT è che il MOS utilizza i portatori!
maggioritari di carica, cioè si hanno commutazioni più veloci e la dipendenza dalla temperatura è!
piuttosto ridotta rispetto ai BJT. Il MOS richiede circuiti di pilotaggio più semplici e non si hanno!
correnti di tipo DC nel GateGate (quindi carica di capacità Gate-body. La commutazione è più
rapida, quindi il pilotaggio di carico è di tipo!
capacitivo. !
Quando l’interruttore è su ON, per il BJT si usa il modello della tensione Vcesat (+Ron), mentre per!
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
il modello MOS si usa solo il modello della tensione di ingresso Ron. Quando invece ‘interruttore è!
sullo stato OFF il modello è unico per entrambi i dispositivi: quello delle correnti di perdita!
(leakage). !
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23. I dispositivi a quattro stati (4-layer)
Esistono particolari dispositivi che sono stati progettati appositamente per poter lavorare solo in!
commutazione. Tali componenti hanno una struttura fisica particolare (una doppia giunzione pn:!
pnpn a 4 strati o anche di più) e sono utilizzabili come interruttori e non vanno bene come!
amplificatori lineari. !
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Alcuni esempio sono: !
1. Silicon Controlled Rectifier (SCR), Trystori, … !
2. TRIAC / DIAC, … . !
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Un SCR parassita è presente negli ingressi dei CMOS: se il dispositivo è su ON, una corrente!
elevata può danneggiare il dispositivo, quindi sono richieste particolari attenzioni durante la fase di!
progetto nell’utilizzare queste componenti. !
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24. L’SCR nei circuiti digitali CMOS
Gli SCR sono integrati nei!
CMOS, la struttura degli!
SCR è intrinseca. Tale!
SCR può entrare in!
conduzione (latch up) per: !
1.tensioni di ingresso!
esterne all’intervallo GND-!
Vcc; !
2.particelle ad alta
energia(applicazioni
spaziali).!
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Prendendo in considerazione il nmoset si può dire che esso è caratterizzato da un drain e un
source di substrato n, sotto adesso vi è un substrato di tipo p e sotto ancora vi è un substrato di
tipo n. Questi tre strati formano un transistor transistor il quale ha il collettore nell'ultimo strano (n)
mentre l'emettitore è collegato al source il quale a sua volta è collegato " a un generatore" (Vss). !
Mentre la base è collegata nel p (ossia in mezzo agli altri due strati) si ha un altro transistor (bjt)
indicato nella figura con la linea rossa. Essa congiunge i tre strati che servono per creare questo
transistor (substrato di tipo p, substrato di tipo n, substrato di tipo p).!
Questi due transistor sia questo che l'ultimo non sono voluti esplicitamente nella costruzione del
mosfet ma si creano in automatico.!
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La base di uno diventa il collettore dell'altro e così per gli altri collegamenti come si vede in figura
sotto:!
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Elettronica Applicata e Misure
Esercitazione E1
Questo è quello che ottengo come circuito da parte, una cosa non voluta ma c’è.!
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Con gli strati.!
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Come si vede dal circuito per ogni ramo può essere descritta la corrente che passa in esso
attraverso le leggi descritte in precedenza.!
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Se si pone I1=0 allora tutte le altre correnti devono essere pari a zero. !
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Esercitazione E1
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Ora si immette una piccola corrente ( Ix)
nel circuito attraverso una resistenza.
Questa corrente andrà a modificare I1 la
quale andrà a modificare I2 ma
entrambe le correnti sono correlate tra
loro quindi andando a toccare una
corrente si va a involontariamente
portare la ma toccando l'altra si ritorna
alla precedente, di conseguenza si entra
in un circolo che porta il due correnti a
valori molto elevati e la funzione di Porta
tali valori è esponenziale.!
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Tuttavia sebbene potrà mandar all'infinito si
ferma quando è in saturazione.!
Si potrebbe mettere una resistenza che tolga
un po' di corrente da Ix e la porti a massa.!
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25. Parte 2 - I limiti operativi
1. Safe Operating Area (SOA). !
2. Dissipazione di potenza. !
3. Modelli termici. !
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26. Limiti operativi
Per la tensione di breakdown, con tensione troppo elevate gli isolamenti delle giunzioni vengono!
perforate con la conseguenza della rottura del dispositivo (la tensione di breakdown non deve!
essere superata). !
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La corrente non deve essere troppo alta, se no fili o piste possono fondere (c’è un livello massimo!
di corrente da rispettare). !
!
La potenza dissipata determina un incremento di temperatura, con la conseguenza che il silicio e i!
metalli possano fondere, modificando permanentemente i delicati livelli di drogaggio (c’è un livello!
massimo di potenza da rispettare). !
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Esercitazione E1
Per applicazioni speciali, si cerca di costruire dispositivi che resistano bene alle radiazioni!
(applicazioni spaziali), vibrazioni, e altro… . !
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27. La SOA, ovvero Safe Operating Area
Quindi, ciascun dispositivo ha dei limiti di tensione, di corrente e di potenza gestibile. Le regioni di!
V, I e di P accettabili creano una regione che è detta Safe Operating Area che per l’appunto è!
definita da: !
1. Potenza ( V · I < Pdmax): se superati i livelli, si ha un innalzamento nocivo della temperatura e!
un breakdown secondario, che per il quale si genera un riscaldamento locale con deriva!
termica. !
2. Tensione ( V < Vbrk): tensioni eccessive causano breakdown della giunzione; !
3. Corrente (I < Imax): correnti eccessive causano un riscaldamento dei conduttori. !
!
Per il sì si parla di corrente massima e non di tensione potenza massima il motivo sta nel fatto che
il filo ha una resistenza fissa mentre ciò che cambia è l'intensità della corrente e quindi poiché tra i
due c'è solamente una moltiplicazione e più semplice parlare di quanta corrente filo può
trasportare.!
!
È abbastanza complicato calcolare la potenza su di un filo quindi è più semplice utilizzare la cosa
detta prima.!
!
Mentre per quanto riguarda i transistor è meglio non parlare semplicemente di corrente per
calcolare la potenza ma anche di parlare della tensione in modo tale che entrambi due fattori
moltiplicati insieme possono andare l'esatto valore della potenza.!
!
Bisogna stare attenti alle problematiche fisiche, in ambito spaziale le vibrazioni potrebbero
spaccare i fili metallici.!
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28. La SOA nei BJT
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Tale figura mostra i limiti della SOA. !
29. La potenza dissipata
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Un dispositivo elettrico dissipa una potenza Pd = V · I. La potenza dissipata causa un aumento di!
temperatura e ogni dispositivo ha limiti in temperatura (quindi un limite in potenza). !
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La dissipazione di calore in un dispositivo, può essere modellata da un circuito equivalente!
termico: !
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Potenza !
-> Corrente !
Temperatura
-> Tensione ai nodi !
Conduzione del calore -> Resistenza termica Θr (°C / W). !
!
I diodi, i MOS e i BJT hanno la maggior dissipazione di temperatura in prossimità delle giunzioni. Il!
calore deve essere quindi portato fuori dal dispositivo, attraverso: !
1. una giunzione contenitore (i cui parametri sono forniti dal produttore); !
2. un contenitore-ambiente (controllati dal progettista). !
!
In ingegneria è di uso comune utilizzare i circuiti equivalenti. In altre parole si passa da un
qualcosa che non si conosce o qualcosa in cui si riesce a fare benissimo i calcoli. Ad esempio se
non si conosce molto bene la termodinamica si può creare un circuito elettrico che in qualche
modo simula il termico. Quindi per studiare la temperatura o meglio dire il modo in cui la
temperatura può andare a influenzare il circuito si fa un circuito equivalente tecnico e quindi tutti
parati termici vanno a finire nei parametri elettrici.!
!
Dove c'è in gioco una potenza si disegna la corrente, dove c'è in gioco la temperatura utilizza la
tensione ai nodi, e dove sia la conduzione del calore si utilizza una resistenza termica. In questo
modo si può facilmente passare da uno strumento completamente sconosciuto ad un argomento
conosciuto e riuscendo a fare i fare calcoli. Si può fare questo poiché gli stessi teoremi che si
applicano da una parte si applicano anche dall'altra sebbene cambino i concetti e i nomi.!
I parametri forniti dal fabbricante sono tre parametri che li conosce solamente il fabbricante. Il
quale fornisce un equivalente termico o elettrico per i vari calcoli.!
!
Tuttavia non può fornire alcuni parametri poiché non sono dipendenti da lui come ad esempio il
contenitore nel quale si metterà il circuito. E quindi le varie federazioni tra circuito stesso e quel
contenitore.!
!
30. Il derating della potenza
Il fabbricante deve specificare due cose: !
1.la massima potenza dissipabile: Pdmax; !
2.la massima temperatura di giunzione Tjmax. !
!
La dissipazione determina un incremento di temperatura. La!
potenza dissipabile diminuisce al crescere della temperatura!
ambientale (Ta), quindi meglio lavorare in ambienti freschi e!
ben aereati. !
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Se la Ta = Tjmax allora Pd è nulla. !
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31. Il modello termico
Come specificato prima, il comportamento termico viene modellato!
con una rete elettrica; !
Potenza (Pd)
-> Generatore di corrente !
Temperatura
-> Tensione !
Conduzione del calore -> Resistenza termica Θr (°C / W). !
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La rete elettrica equivalente è quella qui in figura: !
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Tj - Ta = Pd· Θja. Per i dispositivi al silicio Tjmax è di circa 105°. !
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32. La resistenza theta (Rθ) dalla giunzione all’ambiente
Il percorso termico dalla giunzione all’ambiente!
è definito da giunzione, case e dissipatore. !
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La giunzione convoglia il calore verso il case,!
il parametro di riferimento in questo passaggio!
è ΘJC la resistenza termica è legata al tipo di!
contenitore. !
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Da case a dissipatore, il parametro è ΘCS, qui!
è importante il bloccaggio (cioè il tipo di!
connessione materiale) tra case e dissipatore. !
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Da dissipatore a ambiente, si parla di ΘSA, il!
dissipatore e le condizioni operative sono!
direttamente influenzate dalla ventilazione. !
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Il progettista può intervenire solo su ΘCS e su!
ΘSA. Mentre ΘJC dipende dal produttore del!
dispositivo. !
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Le superfici anche se sono molto
contatto non possono essere
perfettamente a contatto poiché hanno
comunque sempre nelle piccole
discrepanze come si vede in figura.
Questi discrepanze possono essere molto piccole dell'ordine del nanometro.Allora per ovviare a
questo problema si usano delle paste per "chiudere" i buchi. Queste paste devono essere
conduttrici e quindi sono fatte con del carbonio che è conduttore.!
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33. Esempio: le specifiche termiche
!
Questo è un datasheet del dispositivo!
TIP30, che è un transistore di potenza. !
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Per esempio, potrebbe essere richiesto!
saper calcolare la temperatura di!
giunzione per una potenza Pd = 0.8 Watt: !
·ΔTj = Pd · RθJA = 62.5 · 0.8 50°C !
·Tj = Ta + ΔTj = 75°C. !
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Nel datasheet vengono dati due parametri per la dissipazione della potenza uno a temperatura
ambiente Ta e l'altro la temperatura del contenitore Tc. Se tali temperature superano una
determinata temperatura e in questo caso è di 25° centigradi allora la dissipazione peggiora di ad
esempio di 0,016 W/C°. Rispetto a quando è sotto la soglia di 25° C°. Ad ogni grado in più sopra i
25°C si può dissipare meno X*a riposto a 40 W quindi si riduce la dissipazione 40-X*a dove X è
quanti gradi si è sopra a 25°C e a è il parametro che si deve moltiplicare che in questo caso è
0,016.!
Quando si dice che il transistor e all'interno di un contenitore vuol dire che il contenitore lo
mantiene ad una determinata temperatura.!
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Procedimento-> Converte tutto in circuito elettrico e lo calcola.!
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Esercitazione E1
Rocd= resistenza termica tra contenitore e il dissipatore!
Roda= resistenza termica tra dissipatore e aria!
P= potenza da dissipare.!
Rojc= resistenza termica del transistor tra giunzione e contenitore !
ambiente come riferimento es 25°C.!
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34. Parte 4 - I circuiti di potenza
In questa parte vedremo come utilizzare BJT e MOS come interruttori: !
1. Parametri nello stato ON. !
2. Parametri nello stato OFF. !
3. Circuiti di comando. !
!
35. Il pilotaggio di uno SW da circuiti logici
I parametri elettrici del circuito logico pilota sono: !
1. parametri del carico: !
1. tipo R, L, C, I, V; !
2. V e I richiesti; 3. tempi di transizione (sovratensione, EMI, …); !
4. richieste particolari (isolamento galvanico, …).!
!
2. I parametri del dispositivo di potenza sono: !
1. V, I, Pmax, SOA, …; !
2. configurazione H/L side, flottante, …; !
3. parametri dei dispositivi arrivi (guadagno, Vt, …); !
4. comportamento dinamico. !
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36. La potenza dissipata
In condizioni di ON e di OFF la potenza è nulla (in realtà si trova al livello minimo). Pd = V · I quindi!
o V o I si trovano in prossimità dello 0. !
!
Gli stadi intermedi sono rappresentati dalla regione attiva. La regione attiva è quella che viene!
attraversata nei transistor. V e I non devono essere nulle (altrimenti si comporterebbero come degli!
interruttori). La potenza dissipata è comunque calcolata come Pd = V · I, la Pd massima per Vce è!
pari a Val / 2 (si deve derivare Pd per trovare la potenza massima ). !
!
Se la potenza è massima durante le fasi di transizione, si hanno commutazioni più veloci,!
purtroppo aumentano anche i disturbi EMI, per questo bisogna saper valutare un giusto!
compromesso tra potenza ed EMI. !
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37. Il pilotaggio low-side di SW BJT
Con BJT npn l’emettitore è collegato a massa, il carico è posto sul collettore e il comando è posto!
alla base (prossima a GND). !
!
Sullo stato ON la corrente Icon = Vs / RI e si deve fornire una sufficiente corrente di base: !
Ib > Icon / β. !
!
Per lo stato OFF la corrente di base è nulla: Vbe è sotto soglia oppure è inversa. Si deve evitare il!
breakdown inverso della giunzione BE (altrimenti la si danneggia gravemente) e si deve evitare la!
fuga termica (thermal runaway) della Icbo. Per andare in breakdown in off è molto semplice
perché bastano delle tensioni molto piccole del ordine dei 5V.!
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38. I MOSFET come interruttori
I MOSFET possono essere usati come interruttori.!
Per porli sullo stato di OFF la Vgs deve esse!
minore della Vt (interdizione). Per lo stato ON la!
Vgs deve essere maggiore di Vt, cioè: !
Id = Vds / Rd (regione a triodo). !
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La resistenza Rd dipende da Vgs, Vds, dalla!
temperatura, e via dicendo … !
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39. Il pilotaggio low-side di SW MOS
Quando il carico è collegato a Vs allora l’interruttore è posto verso la!
massa. Si distinguono due configurazioni: una nMOS e
una pMOS. !
!
Configurazione nMOS. !
1. Source è collegato a GND e il carico
su Drain. !
2. Il comando è posto al Gate (che è
prossimo a GND). !
3. Lo stato di ON si ottiene quando Vgs
> Vt. Lo stato di OFF invece!
quando Vgs < Vt. !
4. Tale configurazione è pilotabile da
logiche standard. !
!
PoIché si utilizza in questo caso la
tecnologia mosfet, questa tecnologia impone di utilizzare
come comando di riempire un condensatore, quindi è
stato inserito in figura un condensatore di colore verde
per far capire che per pilotare questo circuito o meglio
dire questo interruttore c'è bisogno di riempire o
svuotare questo condensatore. Per fare quest'operazione
occorre delle correnti impulsive che riempino questo condensatore. Se si lascia questo interruttore
in uno stato on oppure di off non si consuma o per lo meno si consuma pochissima energia per
pilotarlo. Invece si consuma energia quando si deve sopportare o riempire tale capacità o meglio
dire quando si passa da uno stato di on a uno stato di off poiché bisogna riempire o portare a
seconda dei casi questo condensatore.Più l'impulso è forte e più la commutazione è veloce.
Quest'impulso dovrà essere potente poiché le capacità di gate sono anche abbastanza elevate
(1nF, 100nF ad esempio). Se si vuole andare veloce si devono riempire svuotare queste capacità
molto velocemente e questo implica utilizzare correnti molto forte. Quindi per controllare alle
correnti si ha bisogno di utilizzare dei driver molto potenti.!
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Configurazione pMOS. !
1. È usabile se Vs è negativo. !
2. La tensione di controllo è riferita a Vs. !
3. Possono essere richiesti livelli non standard, quindi è necessario un traslatore di livello. !
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40. Il pilotaggio SW MOS da circuiti logici
Se la tensione Vt è minore della tensione Vh, si ha che è un pilotaggio di tipo diretto. Si tratta di!
una configurazione che va bene per i MOS che lavorano per potenze medio-basse. !
!
I MOS di potenza hanno una capacità di GATE molto elevata, quindi le transizioni sono rapide e in!
tal modo si riduce la dissipazione. Hanno una dinamica elevata (corrente elevata) per caricare!
velocemente il Cgate. Sono richiesti circuiti di pilotaggio particolari. !
!
L’induttanza parassite di Gate e il condensatore formano un risonatore LC con elevato Q. Si!
possono determinare sovratensione sul GATE (fare attenzione) ed è necessaria una resistenza di!
smorzamento (damping) posta in prossimità del Gate. !
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41. Il pilotaggio di SW MOS fluttuanti
Il pilotaggio di SW MOS flottanti
viene usato per i moduli di
sample/hold o per carichi
flottanti!
(floating). Drain e Source sono
a tensioni variabili, quindi il
problema è quello di imporre la
tensione!
VGS. La tensione VGS viene
ottenuta come caduta di
tensione su un resistore
flottante. Si esegue!
un pilotaggio tramite l’uso di un
trasformatore. !
Cerchiati in verde sono in due
componenti si creano il circuito
risuona. Tra i componenti sono
l'induttore e il condensatore.
Questi due componenti creano
“dei movimenti di elettroni" o
meglio dire di corrente non
voluta. Quindi per ovviare a
questo problema si deve
mettere uno sommozzatore in altre parole un componente elettrico che riesca a dissipare questa
energia. La soluzione è semplicemente aggiungere una resistenza prima del induttore . La
resistenza è tra 10 e 50 ohm.!
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L'induttore e la capacità bisogna
ricordare che non sono stati gli
messi apposta ma sono dei
componenti che si sono annidati di
sé uno scrivesse solamente
l'interruttore con i fili.!
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La soluzione è quella che usa un trasformatore. !
Questa soluzione fa in modo che il source e il gate siano alla stesso potenziale riferiti al
trasformatore che viene pilotato dal driver.!
I carichi (rettangolo) o i generatori sono li per l'esempio ci potrebbe essere qualsiasi altra cosa,
l'importante e che non sia a massa.!
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42. Carico fluttuante: ponte ad H
Si può invertire la V e la I su un carico flottante utilizzando una configurazione ad H avente!
comandi complementari sui due lati. !
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Viene richiesta una tensione di alimentazione doppia e una potenza quadrupla. Inoltre sono!
necessari due comandi: !
1. Active / OFF !
2. Direction. !
Non si ha alcun consumo quando il carico è su OFF. Tale soluzione viene usata anche per gli!
amplificatori (no DC a riposo ). !
!
43. Le protezioni da sovratensioni
I carichi di tipo induttivo sono pericolosi, poiché c’è il
rischio che generino delle sovratensioni all’apertura: è
previsto un percorso per IL nel transitorio ON -> OFF. Si
deve limitare la tensione sul Collettore / Drain. !
!
La tecnologia di Catch (ossia l’utilizzo di un diodo di!
clamp) è ottima in questi casi, poiché fornisce un percorso!
a bassa impedenza per l’energia accumulata!
nell’induttanza: !
· se lo SW è chiuso, la corrente passante è nulla; !
· se lo SW è aperto, la corrente è la ILON accumulata
nell’induttanza e può circolare attraverso un!
diodo. !
Nei MOS di potenza, il diodo è già presente, ma può
dissipare solo una piccola parte di energia. !
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Il circuito in cui c'è una induttanza la quale quando il
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circuito si chiude dovrà mantenere una determinata tensione tra i suoi capi data dal generatore.
Questa tensione è data dalla formula in alto, la corrente o meglio dire la derivata della corrente
dovrà essere costante e quindi la corrente in questo induttore dovrà tendere a infinito. Tuttavia
poiché si ha che l'induttore non è altro che un filo di rame, questo fino a una resistenza che viene
descritta dalla resistenza messa in serie a tale induttore (in rosso). Quindi la corrente che
attraversa l'induttore sarà data dalla legge di ohm sulla resistenza ( V/R). La componente resisteva
e l'induttore creano un circuito nel secondo, e questi due parametri mi identificano due cose:
l'induttore quanto velocemente quanto lentamente (su scala del tempo) si arriverà alla tensione o
alla corrente massima, mentre la resistenza mi dirà il valore esatto della corrente massima. !
L'interruttore potrebbe essere ad esempio un mosfet.!
È stata raggiunta è una resistenza parassita dell’induttore.!
La costante di tempo è τ= L/R.!
Questi parametri di induttanza di resistenza parassita del induttore, sono importanti per diverse
applicazioni. Se si conosce questi parametri ad esempio si può conoscere quanto vale il
transitorio e quanto vale la corrente massima. In questo modo si possono disporre del interruttori
giusti e dei fili che sono buoni/compatibili per queste correnti. Inoltre conoscendo il tempo di
transizione si possono stabilire ad esempio quando la corrente è a regime o meglio dire quando la
corrente non cambierà più. !
Ad esempio se si considera che i movimenti meccanici molto veloce bisogna calcolare la
transizione del segnale (la corrente) e quant'è il valore massimo. Una corrente è a regime ad
esempio per un motore quando il motore può incominciare a girare. Per alcuni applicazione come
ad esempio i vecchi stampati ad ago bisognava calcolare la transizione per arrivare a regime e poi
invertire il movimento meccanico in modo tale che in pochissimo tempo la testina della stampante
potesse toccare il foglio (pixel) e ritornare su e questo movimento bisognava far eseguire per tutto
il foglio alla massima velocità possibile. Quindi la tradizione da corrente pari a zero corrente a
regime e viceversa doveva avvenire molto velocemente e questo molto velocemente significava
sapere a priori l'induttanza e la resistenza c'erano all'interno circuito.!
!
Quando si apre l'interruttore di induttore a ai suoi capi una differenza di potenziale la quale viene
mantenuta, tuttavia per non far spaccare l'induttanza si mette un diodo il quale fa circolare la
corrente in eccesso dell'induttanza e dissipa tutta quell'energia che induttanza non riesce ad
dissipare. Il diodo emessi mortale che la corrente possa passare solamente da un lato all'altro e
non viceversa in poche parole non si vuole sprecare energia quando il circuito è chiuso. Inoltre c'è
la resistenza parassite dell'induttore e fa in modo di dissipare anch'essa dell'energia. Induttore la
resistenza da anni parametri per il tempo in cui c'è il transitorio.!
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44. Test finale
· Descrivere la caratteristica I(V) dei diodi Zener. !
· Come possiamo garantire che un BJT si porti nello stato ON? !
· Elencare i parametri più significative dei transistori MOS e BJT usati come interruttori. (Help:
saturazione forte o on->Si deve dare una corrente di base sufficientemente grande.) !
· Quali parametri definiscono i limiti della SOA per i MOS di potenza? !
· Tracciare un circuito che permetta di pilotare un interruttore MOS fluttuante con un segnale!
logico. !
· Tracciare la caratteristica di uscita V(I) di dispositivi di potenza MOS o BJT, e identificare le!
diverse zone operative. !
· Quali parametri definiscono i limiti della “Safe Operating Area” (SOA)? !
· Come potremmo misurare la temperatura effettiva delle giunzioni di un dispositivo bipolare di!
potenza? (Help: per misurare la temperatura effettiva delle giunzioni di un dispositivo bipolare di
potenza si misura l'attenzione di soglia che è in correlazione con la temperatura del dispositivo
stesso.).
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