1 Elektrotechnika i ElektronikaDefinicje najważniejszych pojęć z dziedziny elektroniki. Napięcie elektryczne Napięcie elektryczne, to inaczej różnica potencjałów. Polega na przeniesieniu ładunku dodatniego o niższym potencjale do punktu o wyższym potencjale. Symbol napięcia – U Jednostka miary napięcia – wolt (V) Ładunek elektryczny - Q Praca – dżul J Praca prądu elektrycznego A = U * Q przy założeniu jednostek: pracy 1J i ładunku 1C otrzymamy jednostkę napięcia zwaną woltem (V). 1V = 1J/1C = 1dżul/1kulomb Natężenie prądu Natężenie prądu elektrycznego, inaczej prąd elektryczny, to stosunek ładunku elektrycznego przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodu do czasu trwania tego przepływu.
2 Rodzaje prądu i napięciaOkreślane jest w amperach (A). Jest to stosunek ładunku elektrycznego równego jednemu kulombowi (C) przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodu do czasu przepływu równego jednej sekundzie (s). natężenie prądu = ładunek elektryczny / czas I = Q / t A = 1C / 1s Rodzaje prądu i napięcia Prąd stały - charakteryzuje się stałymi wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu. Większość układów elektronicznych zasilana jest prądem stałym. Mogą być zasilane bezpośrednio z baterii lub akumulatorów. Dla urządzeń, które są zasilane z sieci elektrycznej stosuje się zasilanie prądem stałym wytwarza- nym przez zasilacze sieciowe. Prąd zmienny - to prąd elektryczny, którego wartość natężenia zmienia się w czasie. Prąd zmienny nieokresowy może reprezentować prąd o dowolnej zmienności w czasie może też prąd zmieniający się zgodnie z określoną funkcją matematyczną lub w sposób zdeterminowany zjawiskiem fizy- cznym. Potocznie termin prąd zmienny stosowany jest często do prądu okresowego o przebiegu sinusoidalnym.
3 W zależności od rodzaju prądu, podajemy dwa lub trzy parametry, tj:Prąd przemienny - to charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne. Stosunkowo największe znaczenie praktyczne mają prąd i napięcie o przebiegu sinusoidalnym. W zależności od rodzaju prądu, podajemy dwa lub trzy parametry, tj: prąd stały – napięcie i natężenie prąd przemienny – napięcie, natężenie, częstotliwość Rodzaje zmienności prądu
4 Inne parametry opisujące prąd Moc – to wartość natężenia przepływającego prądu elektrycznego, pomnożona przez napięcie elektryczne. Określa np, pobór energii przez urządzenie elektryczne i jest wyrażona w watach (W). Symbol mocy elektrycznej – P. Wyraża się wzorem: P = U * I czyli: Moc – to stosunek pracy do czasu, w jakim ta praca została wykonana Wat – to praca 1J wykonana w ciągu 1 s. W praktyce stosuje się większe jednostki, kW; 1kW = 1000 W. Moce dużych generatorów podaje się w MW (megawaty). Indukcyjność – to strumień pola magnetycznego, wytworzonego przez obwód zasilany prądem elektrycznym. Symbol – L; jednostka henr – H. Częstotliwość – dana liczba cykli, zawarta w jednostce czasu. f = 1 / t Wyrażamy ją w hercach (Hz). 1Hz – to 1 cykl w ciągu 1 s. Gęstość prądu elektrycznego – stosunek natężenia prądu do przekroju poprzecznego przewodu;
5 j = I / s, gdzie: j – gęstość prądu [ A / mm2 ]I – natężenie prądu [ A ] s – przekrój poprzeczny przewodu [ mm2 ]. Jednostką gęstości prądu jest 1 A / mm2. Rezystancja – opór omowy (opór elektryczny). Zależy od materiału z jakiego wykonany jest przewodnik, oraz od jego długości i przekroju; R = ql / s, gdzie: R – rezystencja [ Ω ], q – rezystywność [ Ωm ], l – długość przewodnika [ m ]. Jednostką rezystancji jest jeden Ω. Jeden om jest to rezystencja takiego przewodnika, w którym, przy różnicy potencjałów na jego końcach równej woltowi, płynie prąd o natężeniu jednego ampera; 1Ω = 1V / 1A
6 Źródło prądu elektrycznego – urządzenie nadające energię elektronom.Rezystywność – to rezystancja przewodnika o długości jednego metra i przekroju jednego mm2. Jednostką rezystywności jest omometr ( Ωm ) lub ( Ωmm2 / m ). Konduktancja – odwrotność rezystancji. Oznaczamy symbolem G; G = 1 / R Jednostką konduktancji jest jeden simens ( S ). 1S = 1 / 1Ω = 1V / 1A . Konduktywność – (przewodność właściwa) jest odwrotnością rezystywnośći. ζ = 1 / ς Uwzględniając tę wielkość, równanie określające rezystancję danego przewodnika przedstawić w postaci: R = l / γs Obwód elektryczny – zamknięta droga, wzdłuż której poruszają się elektrony. Źródło prądu elektrycznego – urządzenie nadające energię elektronom. Odbiornik elektryczny – urządzenie, w którym prąd wykonuje żądane zadanie (ogrzewa, świeci, porusza, dzwoni, itp.). Przewodniki – metale lub ich stopy oraz węgiel elektrotechniczny (mają elektrony swobodne), oraz elektrolity (roztwory wodne kwasów, zasad, soli).
7 Posiadają jony. Jony to atomy lub cząsteczki obdarzone ładunkiem elektrycznym. Ilość jonównie jest stała dla danego elektrolitu i zależy od stopnia stężenia roztworu. Półprzewodniki – duża zależność właściwości elektrycznych od różnych czynników np, temperatury, oświetlenia, domieszek chemicznych. Dielektryki – tworzywa sztuczne, guma, porcelana, niektóre ciecze, np: olej transformatorowy. Prawo Ohma Natężenie prądu płynącego wzdłuż jednorodnego, metalicznego przewodnika jest proporcjonalne do spadu napięcia na przewodniku: I = 1 / R * U
8 Prawo Ohma w postaci różniczkowejWyraża zależność pomiędzy wektorem gęstości prądu, a wektorem natężenia pola elektrycznego. Obrazuje tą zależność rysunek: Przez przekrój poprzeczny walca płynie prąd o natężeniu: I = j * d * S Napięcie przyłożone do walca wynosi: U = E * d * l Opór walca: R = ρ * dl / ds Powyższe trzy wzory podstawiamy do: I = 1 / 2 * U; j = 1 / ρ * E; 1 / ρ = σ σ - przewodnictwo właściwe Wówczas prawo Ohma w postaci różniczkowej przyjmuje następującą skalarną postać: j = σ * E
9 Prawo Ohma dla prądu przemiennegoW obwodach prądu zmiennego przebiegi prądu mogą być przesunięte w fazie w stosunku do napięcia. W takiej sytuacji do opisu zależności przemiennego prądu od napięcia stosuje się zwykle liczby zespolone, a odpowiednikiem oporu jest zespolona impedancja Z: u * ( ω, t ) = Z * ( ω ) i ( ω, t ) gdzie: u ( ω, t ) - zespolone napięcie przemienne; i ( ω, t ) - zespolony prąd przemienny; Z ( ω ) - impedancja. Rezystancją nazywa się wtedy część rzeczywistą impedancji, a konduktancją część rzeczywistą odwrotności impedancji (nazywanej admitancją): R ( ω ) = Re ( Z ( ω ) ) G ( ω ) = R ( ω ) / |Z ( ω )|2 W obwodach liniowych (spełniających prawo Ohma) impedancja nie zależy od amplitudy napięcia ani prądu, a amplituda prądu jest wtedy proporcjonalna do amplitudy napięcia.
10 i czasu przepływu prądu.Prawo Kirchhoffa I Suma prądów dopływających do punktu węzłowego jest równa sumie prądów odpływających. I1 + I4 = I2 + I3 + I5 + I6 Prawo Kirchhoffa II E = IR1 + IR2 + IR3 + IR4 W obwodzie elektrycznym zamkniętym suma algebraiczna wszystkich sił elektro – motorycznych jest równa sumie algebraicznej spadków napięć na poszczególnych rezystancjach obwodu. Prawo Joule’a – Lenza Przy przepływie prądu elektrycznego przez przewodnik wydziela się w nim ciepło, którego ilość jest proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu, rezystancji przewodnika i czasu przepływu prądu.
11 Q = I2 * R * t, gdzie: Q – ciepło [J], I – natężenie [A],R – rezystancja [Ω], t – czas [s]. Jeżeli za jednostkę ilości ciepła przyjmie się 1 kalorię, to wzór ma postać: Q =0,24 * I2 * R * t Rezystor – opornik (z łac. resistere, stawiać opór). Najprostszy element bierny obwo- du elektrycznego, wykorzystywany jest do ograniczenia prądu w nim płynącego. Jest elementem liniowym: występujący na nim spadek napięcia jest wprost proporcjonalny do prądu płynącego przez opornik. Przy przepływie prądu zamienia energię elektryczną w ciepło. Idealny opornik posiada tylko jedną wielkość, która go charakteryzuje – rezystancję. W praktyce występuje jeszcze pojemność wewnętrzna oraz wewnętrzna indukcyjność, co, np. w technice wysokich częstotliwości (RTV), ma duże
12 Ogólna charakterystyka rezystorów (oporników):znaczenie (jest to tzw. pojemność oraz indukcyjność pasożytnicza). W technologii bardzo wysokich częstotliwości – kilkuset megaherców (MHz) i powyżej – właściwości pasożytnicze typowego rezystora muszą być traktowane jako wartości rozproszone, tzn. rozłożone wzdłuż jego fizycznych wymiarów. Ogólna charakterystyka rezystorów (oporników): Typ – bierny Zasada działania – opór elektryczny Układ wyprowadzeń – dwa wyprowadzenia Symbol – dwa zamiennie stosowane symbole
13 R – rezystancja właściwa C – pojemność, rzędu pF L – indukcyjność, rzędu nH Przy szeregowym połączeniu odbiorników (rezystorów) w obwodzie prądu rezystencja całkowita (zastępcza) równa jest sumie rezystencji poszczególnych odbiorników połączonych szeregowo. R = R1 + R2 + R3 Przy równoległym łączeniu odbiorników konduktancja całkowita obwodu jest równa sumie konduktancji odbiorników połączonych równolegle. W połączeniu równoległym odbiorników rezystencja całkowita obwodu jest zawsze mniejsza od najmniejszej rezystencji składowej. G = 1 / R G1 = 1 / R1 G = G1 + G2 + G3
14 Rezystory dzieli się na stałe i regulowane.Rezystory stałe – wykonane są ze specjalnego materiału i charakteryzują się dużą rezystancją rzędu kΩ i MΩ. Mają zastosowanie w radiotechnice i elektronice. Rezystory regulowane - stwarzają możliwość regulacji prądu w obwodzie skokowo lub płynnie Zaliczamy tu, rezystory zatyczkowe i kontaktowe. Rezystor suwak- owy daje możliwość regulacji płynnej. Rezystor płynowy to naczynie metalowe zawierające roztwór sody, przez który płynie prąd elekt- ryczny. Natężenie zmienia się poprzez zanurzanie płyty w roztworze głębiej lub płycej. Mają zastosowanie m. in. do uruchamiania silni- ków (tramwaj, pociąg elektryczny). Podstawowe parametry opisujące opornik: - rezystencja nominalna – rezystancja podawana przez producenta na obudowie opornika, wyrażona w omach i przyjmująca wartości określane według szeregów wartości; rezystancja rzeczywista różni się od rezystancji nominalnej, jednak zawsze mieści się w podanej klasie tolerancji. Często używanym parametrem jest konduktancja wyrażana w simensach - tolerancja – inaczej klasa dokładności; podawana w procentach możliwa odchyłka
15 rzeczywistej wartości opornika od jego wartości nominalnej- moc znamionowa - moc jaką opornik może przez dłuższy czas wydzielać w postaci ciepła bez wpływu na jego parametry; przekroczenie tej wartości może prowadzić do zmian innych parametrów rezystora (np. rezystancji) lub jego uszkodzenia, - napięcie graniczne – maksymalne napięcie jakie można przyłożyć do opornika bez obawy o jego zniszczenie, - temperaturowy współczynnik rezystancji – współczynnik określający zmiany rezystancji pod wpływem zmian temperatury opornika.
16 Oznaczenia oporników
17 Opis oznaczeń oporników- pasków lub kropek jest trzy, cztery, pięć lub sześć - jeśli jest ich trzy, to wszystkie trzy oznaczają oporność (w tym trzeci oznacza mnożnik) a tolerancja wynosi ±20% - jeśli jest ich cztery, to trzy pierwsze oznaczają (tak jak w przypadku powyżej) oporność a czwarty – tolerancję - jeśli jest ich pięć, to trzy pierwsze oznaczają cyfry oporności, czwarty mnożnik a piąty tolerancję - jeśli jest ich sześć, to jest to opornik precyzyjny i trzy pierwsze oznaczają cyfry oporności czwarty – mnożnik, piąty – tolerancję, szósty – temperaturowy współczynnik rezystancji (ten pasek może znajdować się na samym brzegu opornika) - pierwszą cyfrę oznacza pasek bliższy końca, a między mnożnikiem i tolerancją jest czasem większy odstęp - stare oporniki są oznakowane: - 1 cyfra – kolor opornika - 2 cyfra – kolor paska - mnożnik – kolor kropki
18 Rs = U(A) / I(A) Rezystancja elementu nieliniowegoPrzykład charakterystyki prądowo-napieciowej elementu nieliniowego. W tym wypadku jest to warystor Dla elementów nieliniowych wyróżniany dwa pojęcia rezystancji: statyczną oraz dynamiczną. Rezystancja statyczna - jest ilorazem wartości napięcia i prądu w danym punkcie charakterystyki prądowo-napięciowej. Rs = U(A) / I(A) Rezystancja dynamiczna - jest wartością pochodnej wartości napięcia (w danym punkcie charakterystyki prądowo-napięciowej) względem wartości prądu
19 (w tym samym punkcie charakterystyki prądowo-napięciowej).Rd = d*U(A) / d*I(A) Element nieliniowy – element obwodu elektrycznego, którego charakterystyka prądowo- napieciowa znacznie odbiega od linii prostej. Rezystancja takiego elementu nie jest stała, ale zależy od wartości przepływającego przez niego prądu. Przykładem takiego elementu może być: żarówka, bareter, lub warystor. Obwód elektryczny zawierający przynajmniej jeden element nieliniowy nazywany obwodem nieliniowym. Prawo Faradaya Masa substancji wydzielających się na elektrodzie podczas przepływu prądu elektrycznego przez elektrolit jest wprost proporcjonalna do natężenia prądu i czasu jego przepływu. m = k*I*t gdzie: m – masa wydzielonej substancji [mg],
20 t – czas trwania elektrolizy [sek], I – natężenie prądu [A], t – czas trwania elektrolizy [sek], k – równoważnik elektrochemiczny [mg/As] lub [g/Ah] Proces przepływu prądu przez elektrolit i zjawiska z tym związane nazywa się elektrolizą. Przepływ prądu w elektrolicie związany jest z przenoszeniem dodatnich i ujemnych jonów znajdujących się w roztworze wskutek dysocjacji cząsteczek. Dysocjacja jest to rozpad cząs- teczek kwasów, zasad lub soli na jony pod wpływem rozpuszczalnika lub po stopieniu tych związków. Zespół składający się z elektrolitu i zanurzonych w nim dwóch elektrod z różnych metali, a więc takich, które elektryzują się w różnym stopniu względem elektrolitu jest źródłem energii elektrycznej i nazywa się ogniwem galwanicznym. Ogniwa dzieli się na: - ogniwa pierwotne (nieodwracalne), które w czasie przekształcania energii chemicznej na energię elektryczną zużywają materiały elektrod, tak że proces nie może być odwrócony, - ogniwa wtórne (odwracalne), które po wyładowaniu można doprowadzić do stanu pierwotnego, przepuszczając przez nie prąd z obcego źródła.
21 Pojemność ogniwa Q wyraża się w kulombach lub amperogodzinach:Pojemność ogniwa galwanicznego - ładunek elektryczny, który ogniwo może oddać przy wyładowaniu. Pojemność ogniwa Q wyraża się w kulombach lub amperogodzinach: Q = I * t Kondensator Kondensatorem – nazywamy urządzenie umożliwiające gromadzenie ładunków elektrycznych. Zbudowane z dwóch przewodników (okładek) rozdzielonych dielektrykiem. Zdolność gromadzenia ładunków przez kondensator zależy od jego wymiarów geometrycznych oraz rodzaju dielektryka (izolatora) między przewodnikami. Dielektryk w dużym stopniu zwiększa pojemność kondensatora, gdyż cząsteczki dielektryka w normalnych warunkach są pod względem elektrycznym obojętne. Pojemność elektryczna danego ciała – stosunek ilości danego ładunku ciała do jego potencjału: C = Q / U
22 Charakterystyka i podział kondensatorówgdzie: C – pojemność [F], Q – ładunek [C], U – potencjał [V]. Jednostką pojemności jest 1 farad (F). Kondensator ma pojemność jednego farada, jeżeli po wprowadzeniu nań ładunku o wartości 1 kulomba uzyska potencjał o wartości 1 wolta. 1F = 1C / 1V Jednostkami pochodnymi są: 1 µF = 10-6F, 1 pF = 10-12F. Charakterystyka i podział kondensatorów
23 Typ – bierny Układ wyprowadzeń – dwa wyprowadzenia (anoda i katoda w kondensatorach spolaryzowanych) Symbol Pole elektryczne naładowanego kondensatora płaskiego o skończonych rozmiarach kondensator spolaryzowany (elektrolityczny) kondensator zmienny, strojeniowy (trymer)
24 Łączenie kondensatorówKondensatory można łączyć w celu uzyskania pożądanej pojemności. Połączenie szeregowe W połączeniu szeregowym, odwrotnie niż w przypadku oporników, pojemność zastępcza dana jest wzorem: Dla dwóch kondensatorów wzór powyższy upraszcza się do postaci: Połączenie równoległe W połączeniu równoległym kondensatorów pojemność zastępcza wyraża się zależnością:
25 Zależność pojemności od kształtu i rozmiaruTaka zależność wynika z faktu, że ładunek elektryczny równolegle połączonych kondensatorów jest sumą ładunków zgromadzonych na kondensatorach. Zależność pojemności od kształtu i rozmiaru Pojemność kondensatora płaskiego gdzie: S – powierzchnia jednej okładki kondensatora, d – odległość między okładkami. εo - przenikalność elektryczna próżni εr - względna przenikalność elektryczna ośrodka, z którego wykonano dzielący okładki izolator. Pojemność kondensatora walcowego
26 Straty energii l – długość okładek kondensatora walcowego, r – promień wewnętrznej okładki kondensatora, r1 – promień zewnętrznej okładki kondensatora. gdzie: Pojemność kondensatora kulistego gdzie: r1 - promień wewnętrznej okładki kondensatora r2 - promień zewnętrznej okładki kondensatora. Straty energii Schemat zastępczy kondensatora stratnego Upływność Rzeczywiste kondensatory nie są w stanie utrzymać ładunku dowolnie długo. Rzeczywisty kondensator (kondensator stratny) przedstawia się jako układ idealnego kondensatora z przyłączoną do niego równolegle rezystancją R o dużej wartości.
27 Rezystancja szeregowaZjawisko strat energii, spowodowane niedoskonałościami konstrukcji kondensatora i właściwościami użytego materiału dielektryka, nazywa się upływnością kondensatora. Upływność wyraża się za pomocą tzw. tangensa kąta strat tg δ definiowanego jako stosunek prądów gałęziowych w układzie zastępczym kondensatora: płynącego przez opornik R do płynącego przez kondensator C. Tangens strat jest tym samym ułamkiem energii rozpraszanej w rzeczywistym kondensatorze. Dla idealnego, bezstratnego kondensatora (R® ) kąt upływności δ i jego tangens wynoszą 0. Rezystancja szeregowa Idealny kondensator ma zerowy opór doprowadzeń i okładek, w związku z czym przepływowi prądu towarzyszącemu zmianom napięcia (przeładowywaniu kondensatora) nie towarzyszą straty energii na ciepło Joule’a. W rzeczywistym kondensatorze zarówno doprowadzenia elektryczne, jak i okładki charakteryzują się pewnym oporem; na schemacie zastępczym rzeczywistego kondensatora ten dodatkowy opór połączony jest szeregowo z kondensatorem idealnym. W odróżnieniu od strat energii powodowanych upływnością, straty związane z oporem szeregowym mają znaczenie jedynie podczas ładowania lub rozładowywania kondensatora a zatem przy przepływie prądu między kondensatorem a układami zewnętrznymi.
28 Opór szeregowy ma szczególnie duże znaczenie w przypadku kondensatorów z których okresowo pobierany jest duży prąd (np. kondensatorów przeciw- zakłóceniowych lub zasilających lampy wyładowcze). Promieniowanie Przy wysokich częstotliwościach pracy część energii doprowadzanej i pobieranej z kondensatora jest rozpraszana w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Histereza ferroelektryczna W kondensatorach, w których rolę dielektryka pełni materiał ferroelektryczny, dodatkowym źródłem strat jest ciepło wytwarzane w samym dielektryku wskutek oporów związanych z przeorientowaniem się domen ferroelektryku. Jest to zjawisko podobne do strat energii w rdzeniu transformatora lub cewki następujących w związku z reorientacją domen ferromagnetycznych. Rodzaje konstrukcji kondensatorów Ze względu na różną konstrukcję, kondensatory można podzielić na:
29 Kondensatory elektrolityczne Składa się z cienkiej warstwy tlenku metalu, osadzonej elektrochemicznie na okładce dodatniej z tego samego metalu (dielektryk). Drugą okładka to ciekły lub suchy elektrolit. Materiałem metalicznej elektrody kondensatora elektrolitycznego może być m.in. aluminium oraz tantal. Kondensatorami elektrolitycznymi nazywa się kondensatory aluminiowe z ciekłym elektrolitem jak również kondensatory tantalowe z elektrolitem stałym (a także, rzadziej spotykane z elektrolitem ciekłym). Mają ustaloną polaryzację, mogą pracować tylko przy określonym znaku napięcia. Gdy odwrócimy polaryzację może nastąpić reakcja elektrochemiczna prowadząca do zniszczenia kondensatora; wydzielający się w jej wyniku gaz może doprowadzić do eksplozji jego obudowy. Kondensatorów elektrolitycznymi są także tzw. Superkondensatory o pojemnościach rzędu wielu tysięcy faradów. Kondensatory elektrolityczne aluminiowe: Dielektrykiem jest cienka warstwa trójtlenku glinu (Al2O3), elektrodą dodatnią jest aluminium. Właściwości: - użytkowane dla dużych pojemności, - pracują dobrze, w przypadku małych częstotliwości, - wysoka pojemności do rozmiaru, - wysokie prądy upływu
30 wykonana jest z tantalu, zaś warstwę dielektryczną tworzy - umiarkowanie niska rezystancja szeregowa i mała indukcyjność szeregowa. Kondensatory tantalowe - kondensatory elektrolityczne, w których elektroda metaliczna wykonana jest z tantalu, zaś warstwę dielektryczną tworzy pięciotlenek tantalu (Ta2O5). Właściwości: - mniejszy niż w przypadku mokrych kondensatorów aluminiowych prąd upływu, - niewielkie rozmiary, - wysoka odporność na warunki zewnętrze. Kondensatory foliowe - dielektryk to folia z tworzywa sztucznego np. poliestrowa (kondensatory oznaczane jako KT i MKT), polipropylenowa (KP, MKP) lub poliwęglanowa (KC, MKC). Elektrody mogą być napylone na tę folię (MKT, MKP, MKC) lub wykonane w postaci osobnej folii metalowej, zwijanej lub prasowanej wspólnie z folią dielektryka (KT, KP, KC). Dawniej wykonywano również kondensatory z polistyrenu, nazywanego również styrofleksem (obecnie używa się ich tylko w specjalistycznych zastosowaniach).
31 Nowoczesnym materiałem na folie kondensatorów jest siarczek polifenylu (PPS). Właściwości: - duża wytrzymałość napięciową, - relatywnie mała pojemność, - mały prąd upływu - pracują poprawnie przy dużym prądzie, - używane w obwodach rezonansowych i układach typu snubber. Poszczególne rodzaje folii różnią się właściwościami temperaturowymi (łącznie ze znakiem współczynnika temperaturowego pojemności, który jest ujemny dla polipropylenu i polistyrenu oraz dodatni dla poliestru i poliwęglanu), maksymalną temperaturą pracy (od 125 °C dla poliestru i poliwęglanu do 100 °C dla polipropylenu i 70 °C dla polistyrenu), odpornością na przebicie elektryczne (a zatem maksymalnym napięciem, jakie można przyłożyć do określonej grubości folii bez jej przebicia). Kondensatory ceramiczne - wykonywane w postaci pojedynczej płytki lub stosu płytek ze specjalnych materiałów ceramicznych. Metaliczne elektrody są napylone na płytki i połączone
32 z doprowadzeniami kondensatora. Materiały ceramiczne mogą mieć bardzo różne właściwości, tj: szeroki zakres wartości względnych przenikalności elektrycznych, od kilku do kilkudziesięciu tysięcy. Pozwala na to niewielki rozmiar kondensatorów, których pojemności mogą konkurować z kondensatorami elektrolitycznymi, pracują z dowolną polaryzacją mają mniejszą upływność. Materiały ceramiczne charakteryzują się skomplikowanymi i nieliniowymi zależnościami parametrów od temperatury, częstotliwości zmian i napięcia. Te o najniższych wartościach stałej dielektrycznej znakomicie pracują przy wielkich częstotliwościach, bywają również wykonywane jako kondensatory o zmiennej pojemności (tzw. trymery). Kondensatory powietrzne - dielektryk to powietrze, znakomicie pracują przy wysokich częstotliwościach, często wykonywane są jako kondensatory zmienne (strojeniowe). Kondensatory i rezystory należą do podstawowych elektronicznych elementów pasywnych. Te same lub podobne typy kondensatorów mogą być wykorzystywane w różnych dziedzinach
33 zaś o ich przydatności w określonej grupie zastosowań decydują, oprócz pojemności, równieżparametry dodatkowe, jak napięcie przebicia, polaryzacja, opór szeregowy (doprowadzeń) i równoległy (upływność), pasożytnicza indukcyjność doprowadzeń i okładek, szczytowy prąd impulsu, długoczasowa stałość parametrów (odporność na starzenie się), stabilność temperaturowa (stałość pojemności w szerokim przedziale temperatur), zakres temperatur pracy czy wreszcie parametry takie jak kształt i rozmiar (stopień miniaturyzacji). Zastosowania kondensatorów Kondensatory w układach zasilających W zasilaczach i stabilizatorach napięcia kondensatory pozwalają na podtrzymanie wartości chwilowej napięcia w przerwach pomiędzy kolejnymi impulsami prądu dopływającego z prostownika, ograniczają wahania napięcia i pozwalają na chwilowy pobór prądu o natężeniu znacznie przewyższającym wartość skuteczną lub średnią. W zasilaczach transformatorowych stosuje się najczęściej kondensatory elektrolityczne o dużej pojemności. Kondensatory używane w obwodach zasilających muszą posiadać wysoką pojemność, możliwość pracy w dużym przedziale temperatur, wysoką wartość napięcia przebicia oraz odporność na krótkotrwały pobór prądu o dużym natężeniu. Nie jest istotna stałość pojemności w czasie ani liniowość charakterystyki: kondensatory te mogą pracować tylko przy określonej
34 umożliwiać przepływ prądu o dużej wartości chwilowej.polaryzacji, zaś ich izolatory mogą być wykonane z materiałów ferroelektrycznych. Kondensatory przeciwzakłóceniowe W układach wytwarzających zakłócenia związane z szybkimi skokami pobieranego prądu (takich, jak silniki elektryczne, iskrowniki, tyrystorowe układy sterujące) kondensatory są elementami filtrów ograniczających przedostawanie się zakłóceń do sieci energetycznej oraz powstawanie zakłóceń radiowych. Kondensatory przeciwzakłóceniowe mają najczęściej niską rezystancję i indukcyjność doprowadzeń oraz wysokie napięcie przebicia, powinny umożliwiać przepływ prądu o dużej wartości chwilowej. Kondensatory blokujące W elektronicznych układach cyfrowych (m.in. podzespołach komputerowych) pobór prądu z szyn zasilających może się zmieniać w czasie o kilka rzędów wielkości. Układy te (zwłaszcza wykonane w nowoczesnych technologiach CMOS) pobierają bowiem prąd praktycznie tylko podczas przełączania poziomów napięć, a przy tym jego chwilowa wartość może przy tym rosnąć od pikoamperów do kilku amperów. Ponadto w układach synchronicznych (taktowanych wspólnym zegarem) wszystkie współpracujące ze sobą układy jednocześnie zwiększają zapotrzebowanie na prąd. Ze względu na oporność, a przede wszystkim – indukcyjność szyny zasilającej, taki impulsowy pobór prądu może prowadzić do bardzo dużych wahań napięcia.
35 zastosowań innych, niż dedykowane.zasilającego i w konsekwencji nieprawidłowej pracy układów. By zapobiec tym negatywnym zjawiskom, stosuje się kondensatory blokujące, podłączane równolegle z doprowadzeniami zasilania poszczególnych układów i umieszczane jak najbliżej nich. Kondensatory te powinny mieć jak najniższą indukcyjność pasożytniczą. W przypadku kondensatorów blokujących nie ma znaczenia napięcie przebicia ani stałość pojemności w czasie, w związku z czym typowe monolityczne i ceramiczne kondensatory blokujące mogą nie nadawać się do zastosowań innych, niż dedykowane. Kondensatory sprzęgające W obwodzie prądu zmiennego kondensator (przy pojemności dążącej do nieskończoności) zachowuje się jak źródło napięcia: nie zmienia składowej stałej napięcia w miejscu, do którego zostanie podłączony, i jednocześnie stanowi zwarcie dla składowej zmiennej. Dzięki temu kondensator można wykorzystać do przenoszenia sygnału (rozumianego jako zmiany prądu lub napięcia) pomiędzy różnymi fragmentami układu w taki sposób, że transmitowana jest tylko składowa zmienna (sygnał), a przy tym nie ulegają zmianie stałoprądowe warunki pracy połączonych kondensatorem podukładów. Kondensator pełniący taką rolę określany jest jako kondensator sprzęgający. Kondensatory sprzęgające ułatwiają projektowanie analogowych układów elektronicznych, pozwalając na dzielenie ich na podukłady, z których każdy charakteryzuje się własnym punktem pracy i odpowiednim poziomem napięcia stałego.
36 Kondensatory sprzęgające są stosowane na wejściach i wyjściach wzmacniaczy i ichposzczególnych stopni. Powinien mieć jak najmniejszą upływność i jak największą (w praktyce, odpowiednią do dolnej granicy przenoszonego pasma częstotliwości sygnału) pojemność. Kondensatory do filtrów i układów czasowych Podstawowe elementy układów elektronicznych filtrów pasywnych i aktywnych, służących do kształtowania charakterystyki częstotliwościowej określonych części układów (np. wzmacniaczy). Filtry i układy czasowe zbudowane w oparciu o kondensatory i rezystory noszą nazwę układów RC zaś filtry zawierające również cewki (w szczególności, układy rezonansowe) to elementy RLC. Kondensatory wchodzące w skład takich układów muszą mieć wysoką stabilność temperaturową i długoczasową, niskie straty w obszarze przenoszonych częstotliwości, a także doskonałą liniowość charakterystyki (izolatory używane do budowy takich kondensatorów nie mogą być ferroelektrykami). Gdy kondensatory używamy w obwodach wysokiej częstotliwości istotne są również detale związane z kształtem kondensatora oraz stratami energii elektrycznej na promieniowanie. Kondensatory do lamp i innych układów wyładowczych W lampach wyładowczych (np. lampach błyskowych i stroboskopach) oraz iskrownikach kondensator jest połączony równolegle z układem, w który pobór prądu narasta w bardzo
37 krótkim czasie od zera do dużej wartości związanej z odbywającym się wyładowaniem. Doinicjacji wyładowania potrzebne jest na ogół wysokie napięcie, osiągane stopniowo w cyklu ładowania kondensatora. Iloczyn napięcia wyładowania i maksymalnego pobieranego prądu określa moc szczytową wyładowania, natomiast wycałkowana po czasie wartość iloczynu I U jest całkowitą energią impulsu. Do takich zastosowań kondensatory powinny mieć możliwie wysokie wartości obu tych parametrów, muszą mieć również niską rezystancję szeregową wysokie napięcie przebicia, a w przypadku lamp pracujących cyklicznie – odporność na wysokie temperatury związane z wydzielaniem się ciepła na rezystancji szeregowej kondensatora. Kondensatory mają też zastosowanie w sieciach elektroenergetycznych do kompensacji mocy biernej (poprawy współczynnika mocy). Kondensatory stosowane w energoelektronice - kondensatory kompensacyjne – służące do zwiększenia współczynnika mocy w sieciach o częstotliwości Hz, - kondensatory do grzejnictwa indukcyjnego, - kondensatory udarowe i odsprzęgające, - kondensatory wygładzające, - kondensatory tłumiące, - komutacyjne.
38 Cewka Cewka indukcyjna - jest jednym z biernych elementów elektronicznych i elektrotechnicznych o parametrach odwrotnych w stosunku do kondensatora. Składa się z pewnej liczby zwojów drutu lub innego przewodnika nawiniętych np. jeden obok drugiego na powierzchni walca (cewka cylindryczna), na powierzchni pierścienia (cewka toroidalna). Wewnątrz zwojów może znajdować się dodatkowo rdzeń z materiału diamagnetycznego lub ferromagnetycznego. Jest elementem inercyjnym, gromadzi energię w wytwarzanym polu magnetycznym. Cewka i kondensator mają jedną wspólną własność - są stosowane przede wszystkim w technice prądów i napięć przemiennych. W obwodach, w których płynie prąd stały, niezmienny w czasie nie znajduje zastosowania. Stanowi wtedy ona po postu rezystancję utworzoną przez długość odcinka drutu nawojowego użytego do wykonania cewki. Ponieważ liczba zwojów średnica cewki a także parametry drutu nawojowego mogą się zmieniać, zmieniać się również będzie rezystancja cewki Mieści się ona zazwyczaj w granicach prawie od 0 Ohm do około 1 kOhm i może być zmierzona omomierzem. Cewki tego rodzaju są nawinięte na szpulkę (tzw. karkas) podobnie jak nici. Istniej jednak cewki posiadające niewielką ilość zwojów np. trzy. W takim przypadku nawija się je ze sztywnego drutu bez karkasu. Wykonane w ten sposób cewki można spotkać w obwodach wejściowych odbiorników UKF oraz telewizorów. Wielkość cewki zależy od jej indukcyjności podawanej w jednostkach zwanych – henrami (H).
39 Im Więcej zwojów ma cewka, tym większa jest jej indukcyjność mierzona w henrach.Indukcyjność cewki może być również zwiększona poprzez umieszczenie w otworze karkasu rdzenia żelaznego. W transformatorze rdzeń żelazny jest zbudowany z cienkich blach odpowiednio złożonych w pakiet. W transformatorze bez rdzenia konieczne byłoby nawijanie ogromnej liczby zwojów, np. rzędu zamiast 200. które wystarczą przy obecności rdzenia. Cewka dla odbioru fal średnich w odbiorniku radiowym, jeżeli nie posiada rdzenia wymaga 500 zwojów, a w wykonaniu z rdzeniem wystarczy tylko 50 zwojów. Rdzenie żelazne dla cewek stosowanych w technice wysokich częstotliwości to rdzenie ferrytowe. Rdzenie takie wykonuje się z "żelaznego proszku" sprasowanego wraz z materiałem izolacyjnym w rdzeń o kształcie np. pręta o średnicy 2-10 mm. Zwykle pręt taki nie jest dłuższy od 20, lub 30 mm. Rdzeń żelazny wzmacnia zatem oddziaływanie cewki i można powiedzieć "zwiększa" liczbę zwojów. Można to wyjaśnić w ten sposób, że rdzeń żelazny koncentruje i gromadzi linie sił pola magnetycznego, które zostały wywołane przez prąd płynący w uzwojeniach cewki. Za pomocą takiego urządzenia można podobnie jak w kondensatorze typu trymer, nastawiać pożądaną wartość indukcyjności. Rdzeń żelazny ma nacięcie umożliwiające posłużenie się śrubokrętem podczas ustawiania właściwej indukcyjności. Dwie cewki nawinięte na wspólnym karkasie i mające wspólny rdzeń, transformator. Reaktancję kondensatora można obliczyć na podstawie wzoru XC = 1/w x C .
40 Także cewka w obwodzie prądu przemiennego przedstawia sobą reaktancję (tzw. Reaktancjęindukcyjną), którą można wyznaczyć z zależności w x L. W tym wzorze indukcyjność podana jest w Henrach, podobnie jak dla kondensatorów podaje się ją w Faradach. Gdy częstotliwość wzrasta, to reaktancja pojemnościowa maleje, natomiast odwrotnie jest w przypadku cewki reaktancja indukcyjna rośnie. Jeżeli zastosujemy kondensator o większej pojemności, to jego reaktancja pojemnościowa będzie mniejsza, natomiast jeśli użyjemy cewki o większej indukcyjności, to jej reaktancja indukcyjna wzrośnie. Stała czasowa dla kondensatora może być wyznaczona ze wzoru t = RxC, a stałą czasową cewki wyznacza się jako t = L/R. Dla cewki podobnie jak dla kondensatora, obowiązują wcześniej opisane diagramy czasowe. Krzywa ładowania nie dotyczy napięcia, lecz prądu. Kondensator jest ładowany energią elektryczną wyrażającą się wielkością napięcia. Cewka ładowana jest energią magnetyczną pochodzącą od przepływającego przez nią prądu. Jeżeli prąd płynący w cewce zostanie nagle przerwany, to energia pola magnetycznego szybko się wyładuje, a na zaciskach wyjściowych cewki pojawi się bardzo wysokie napięcie. Napięcie to zależy od liczby zwojów oraz natężenia prądu i może wynosić nawet kilka tysięcy Volt. Symbol cewki to spirala. Różnice między możliwymi wariantami dotyczą materiału rdzenia, na którym nawija się cewkę. Najbardziej popularne bywa żelazo (lub stopy żelaza w postaci warstw lub proszków) i ferryt - czarny nieprzewodzący, kruchy materiał magnetyczny. Zastosowanie rdzenia jest sposobem na zwielokrotnienie indukcyjności cewki bezrdzeniowej stosownie do "przenikalności materiału
41 rdzenia. Rdzeń może mieć postać pręta, toroidu lub przybierać kształty jeszcze bardziejdziwaczne, takie jak rdzeń kubkowy. Cewki indukcyjne znalazły duże zastosowanie w układach częstotliwości radiowej, służąc jako "dławiki" wielkiej częstotliwości oraz jako części obwodów strojonych. Cewka Helmholtza - układ cewek, wewnątrz którego istnieje duży obszar o w przybliżeniu stałym wektorze indukcji pola magnetycznego. Są one używane do wytwarzania jednorodnego pola magnetycznego i kompensacji pola zewnętrznego (głównie ziemskiego). Nazwane na cześć niemieckiego fizyka Hermanna von Helmholtza. Układ składa się z dwóch identycznych równoległych cewek. Cewki są połączone szeregowo dlatego w każdej z nich płynie taki sam prąd, w tym samym kierunku. Cewki znajdują się w odległości równej promieniowi każdej z nich. Taki układ pozwala uzyskać niemal jednorodne pole magnetyczne w stosunkowo dużej objętości. gdzie: n – liczba zwojów każdej cewki, I – prąd płynący w uzwojeniu, R – promień cewki, μ0 – przenikalność magnetyczna próżni.
42 Układ linii pola Schemat cewki Helmholtza Indukcja pola na osi przechodzącej przez środki cewek Cewka Ruhmkorffa – (induktor), urządzenie skonstruowane w 1850 roku przez Heinricha Daniela Ruhmkorffa, służące do otrzymywania wysokich napięć. Jest połączeniem transformatora o dużej liczbie zwojów w uzwojeniu wtórnym i iskrownika (takiego, jak stosowane w dzwonkach elektrycznych) przerywającego przepływ prądu w uzwojeniu pierwotnym.
43 Budowa i zasada działaniaSchemat działania cewki Ruhmkorffa: A – uzwojenie pierwotne, B – uzwojenie wtórne, C – rdzeń, D – sprężyna stycznika, E – stycznik (przerywacz), F – kondensator, H – wyprowadzenia wysokiego napięcia G – zasilanie Przebieg prądu w uzwojeniu pierwotnym (niebieski) i napięcia na uzwojeniu wtórnym (czerwony) w nieobciążonej cewce Ruhmkorffa bez kondensatora Te same przebiegi z zastosowaniem kondensatora Budowa i zasada działania Głównym elementem cewki jest transformator, którego uzwojenie pierwotne ma niewielką liczbę zwojów, zaś wtórne – bardzo dużą.
44 Oba uzwojenia nawinięte są na wspólnym rdzeniu żelaznymOba uzwojenia nawinięte są na wspólnym rdzeniu żelaznym. Obwód magnetyczny induktora Ruhmkorffa jest otwarty. Pole magnetyczne na końcu rdzenia jest wykorzystywane do przyciągania kotwy sprężystego stycznika, którego rozłączenie przerywa obwód prądu zasilającego uzwojenie pierwotne. W wyniku przerwania obwodu, zanika pole magnetyczne odchylające stycznik, który powraca do pierwotnej pozycji, ponownie zamykając obwód. Po zamknięciu obwodu szybkość wzrostu natężania prądu elektrycznego ogranicza indukcyjność cewki, po przerwaniu obwodu natężenie prądu spada gwałtownie (ma tu wpływ iskrzenie styku). W uzwojeniu wtórnym indukuje się siła elektromotoryczna proporcjonalna do szybkości zmian strumienia pola magnetycznego, przez co napięcie uzyskiwane w uzwojeniu wtórnym ma postać krótkiego impulsu wysokiego napięcia. Gdy cewka jest obciążona, na napięcie na cewce wtórnej ma wpływ spadek napięcia na oporności cewki oraz siły elektromotoryczne indukowane przez przepływający w niej prąd. W ten sposób, mimo zasilania ze źródła napięcia stałego, w obwodzie wtórnym płynie prąd zmienny o niesymetrycznym przebiegu, o częstotliwości od kilkunastu do kilkuset herców. Do demonstracji wysokiego napięcia wtórnego używa się m.in. zaostrzonych elektrod, oddalonych od siebie o regulowaną odległość. Nawet przy odległości przekraczającej 10 cm, możliwe jest uzyskanie wyładowań elektrycznych w powietrzu pomiędzy elektrodami. Prąd wyładowań ma stały kierunek, ponieważ przebieg napięcia jest niesymetryczny, a niewielkie napięcie ujemne nie wywołuje przepływu prądu w gazie.
45 Pomimo zerowej średniej wartości napięcia, krótkotrwałe skoki dodatnie mają znacznie wyższąwartość maksymalną, niż rozciągnięte w czasie skoki ujemne. Wykorzystanie tej asymetrii i nieliniowości prądu płynącego przez gaz pozwala na uzyskanie stałego napięcia i gromadzenie ładunku w kondensatorach (pierwotnie były to butelki lejdejskie). Napięcia uzyskiwane w typowej cewce indukcyjnej Ruhmkorffa sięgają 50 kV. Wyeliminowanie stycznika mechanicznego i zastąpienie go układem elektronicznym (np. tyrystorowym) pozwala na zwiększenie zarówno częstotliwości impulsów, jak i wartości maksymalnej napięcia. Rekordowe wartości napięć uzyskane w największych cewkach przy użyciu zewnętrznych styczników przekraczają 300 kV, co pozwala na uzyskanie wyładowania w powietrzu pomiędzy elektrodami odległymi o 40 cm. O maksymalnej odległości elektrod przy której w suchym powietrzu samorzutnie rozpoczyna się wyładowanie, decyduje nie tylko wytworzone przez cewkę napięcie, ale także kształt elektrod. Wysokie napięcia otrzymywane przy użyciu cewek Ruhmkorffa były stosowane między innymi do zasilania niskociśnieniowych lamp wyładowczych, nazywanych rurkami Geisslera. W zależności od rodzaju gazu umieszczonego w rurce, otrzymywano różne barwy światła. Układ transformowania napięcia stałego poprzez cykliczne przerywanie prądu w uzwojeniu pierwotnym jest stosowany na przykład w układach zapłonowych silników iskrowych, zasilaniu kineskopów, przetwornicach napięcia.
46 Cewka wzrostowa – (cewka wybijakowa) – rodzaj cewki, która po podaniu maksymalnegonapięcia prądu elektrycznego jakie może być na nią podane, wyłącza odbiornik energii elektrycznej. Cewki wzrostowe są najczęściej stosowane w wyłącznikach mocy i realizują funkcję wyłączników przeciwpożarowych. Transformator – urządzenie elektryczne do przetwarzania prądu przemiennego o określonym napięciu na inne napięcie, bez zmiany częstotliwości. Umożliwia przesył energii na duże odległości bez większych strat. Składa się z dwóch sprzężonych magnetycznie cewek, nawiniętych na wspólny rdzeń. Rozróżniamy transformatory jednofazowe, trójfazowe, i transformatory specjalne, np. spawalnicze, bezpieczeństwa, radiowe, dzwonkowe, itp. transformator jednofazowy rdzenie transformatorowe transformator trójfazowy
47 Układy cyfrowe Elementy elektryczne stosowane w urządzeniach techniki komputerowej. Podział elementów czynnych: Diody – (lampy dwuelktronowe) element elektroniczny zbudowany z złącza półprzewodnikowego lub złącza typu, przewodnik – metal. Stosowane są głównie jako diody prostownicze niskonapięciowe do zasilania odbiorników radiowych, wzmacniaczy i przyrządów kontrolno-pomiarowych. Jak wskazuje nazwa , służy do prostowania prądu. Istnieją także diody, świecąc, tzw. LED, które emitują promieniowanie w zakresie światła widzialnego i podczerwieni, stosowane w sprzęcie elektronicznym, jako wskaźniki świetlne lub wyświetlacze numeryczne, nadajniki promieniowania podczerwonego. Natomiast, fotodiody, które reagują na promieniowanie świetlne, są wykorzystywane do detekcji światła widzialnego i podczerwonego, przewodach świetlnych (światłowodach), miernikach odległości.
48 Diody ogólnie dzielimy na: impulsowe, prostownicze, Zenera, Schottiego.Dioda impulsowa - dioda, która charakteryzuje się bardzo dużą szybkością pracy - rzędu nanosekund lub mikrosekund przy wyższych napięciach. W zależności od zastosowania mogą to być diody prostownicze, diody detekcyjne oraz diody zabezpieczające itp. Zaletą tych diod jest szybkość włączania (czas od momentu spolaryzowania złącza p-n w kierunku przewodzenia do osiągnięcia przez prąd maksymalnej wartości), czas wyłączania (czas od momentu spolaryzowania diody w kierunku zaporowym do momentu ustania przepływu prądu). Dodatkowymi parametrami są te cechy diod, które są istotne w konkretnym zastosowaniu (np. maksymalny prąd i napięcie znamionowe dla diod prostowniczych). Diody impulsowe są wykonywane jako dioda Schottky'ego dla niewielkich napięć wstecznych (rzędu kilkudziesięciu V) lub specjalnie wykonywane diody złączowe przy wyższych napięciach. dioda impulsowa
49 Parametry charakterystyczne: statyczne: if – prąd przewodzenia Qrr – ładunek przełączania ir – prąd wsteczny trr- czas przełączania tf – czas opadania definicje czasów charakteryzujących proces przełączania diody z kierunku przewodzenia do zaporowego Parametry charakterystyczne: statyczne: - napięcie przewodzenia UF przy określonym prądzie przewodzenia IF - prąd wsteczny IR przy określonym napięciu wstecznym UR dynamiczne: - czas przełączania trr (ładunek przełączania Qrr) przy określonych warunkach wysterowania i obciążenia diody, - pojemność diody przy określonej częstotliwości i napięciu polaryzacji wstecznej Dopuszczalne parametry graniczne: - maksymalny prąd stały (lub średni) IFmax w kierunku przewodzenia
50 - maksymalny szczytowy prąd przewodzenia IFMmax- maksymalne stałe napięcie wsteczne URmax - maksymalne szczytowe napięcie wsteczne URMmax - dopuszczalna temperatura złącza Tj. Definicje czasów charakteryzujących proces przełączania diody z kierunku przewodzenia do zaporowego - prąd przewodzenia iF im większy tym większy ładunek zmagazynowany w bazie złącza pn, dłużej trwa proces rozładowania bazy, rośnie trr), - prąd półki ir~UR/RLw kierunku zaporowym (im większy tym szybciej usuwany jest ładunek magazynowany w bazie, trr maleje), - wartość prądu irr Bezzwłoczność działania – jak najmniejszy czas przełączania trr lub jak najmniejsza stromość impulsu prądu otrzymywanego podczas przełączania (jak najmniejszy czas opadania tf). Biorąc to pod uwagę, diody impulsowe dzielimy na: - diody o małym czasie przełączania trr, diody ostrzowe germanowe o złączu p-n formowanym elektrycznie (styk złoto-german) – małe powierzchnie, małe pojemności; np załącza epiplanarne domieszkowane złotem (zmniejszenie czasu życia nośników mniejszościowych – centra generacyjno-rekombinacyjne) 1ns. Krótsze czasy pp
51 o szerokim pasmie zabronionym, np. GaAs 0o szerokim pasmie zabronionym, np. GaAs 0.1 ns, diody Schottky’ego – działają na nośnikach większościowych, wolne od inercji – magazynowanie ładunku w bazie - diody o małym czasie opadania tf (diody ładunkowe, z krzemu o dużym czasie życia nośników mniejszościowych τ~1 µs) – do formowania bardzo stromych impulsów prostokątnych (tf/tr<<1) Parametry techniczne przykładowo wybranych diod impulsowych Diody pojemnościowe - diody w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza p-n pod wpływem polaryzacji w kierunku wstecznym: warikapy (zmienne pojemności – układy
52 automatycznego przestrajania obwodów rezonansowych) i waraktory (zmienne reaktancje – wzmacniacze parametryczne lub parametryczne powielacze częstotliwości). Parametry charakterystyczne warikapów: - pojemność złącza Cj przy określonej częstotliwości i napięciu polaryzacji wstecznej, - stosunek pojemności Cj przy dwóch różnych wartościach napięcia polaryzacji wstecznej, - rezystancja szeregowa Rs lub dobroć Q przy określonej częstotliwości i napięciu polaryzacji wstecznej Charakterystyka pojemnościowo-napięciowa warikapu z punktami charakterystycznymi Urmax – napięcie stałej polaryzacji UR1 – napięcie wsteczne Cj – pojemność złącza
53 Struktura i szkic konstrukcji waraktoraSchematy zastępcze diód pojemnościowych: dioda pojemnościowa warikap waraktor Struktura i szkic konstrukcji waraktora 1 – izolator ceramiczny 2 – płytka Si ze złączem p-n 3 - elektrody struktura waraktora
54 przełączników sygnałów mikrofalowych.Diody pojemnościowe stosuje się do układów automatycznie strojonych obwodów rezonansowych, wzmacniaczy i generatorów parametrycznych, powielaczy częstotliwości, przełączników sygnałów mikrofalowych. DIODY TUNELOWE - silnie domieszkowane złącza p+-n+, które charakteryzują się tym, że ich charakterystyka prądowo – napięciowa ma w kierunku przewodzenia odcinek o ujemnej rezystancji dynamicznej (diody impulsowe, mikrofalowe, stosowane w układach przełączających, wzmacniaczach i generatorach mikrofalowych). schemat graficzny diody tunelowej Schemat zastępczy diody tunelowej
55 DIODY MIKROFALOWE (detekcyjne, mieszające, sterowane impedancje) –diody przeznaczone do zastosowań w mikrofalowym zakresie częstotliwości <1m, f>300 MHz – 700 GHZ (430 µm): pasmo decymetrowe U.w.cz. 0.1<λ<1m; 0.3
56 Schottky’ego. Diody Ge – złącze p-n, diody Si (styk igły wolframowej Schemat zastępczy diód detekcyjnych i mieszających. Diody ostrzowe - mogą mieć strukturę fizyczną złącza p-n albo złącza m-s z barierą Schottky’ego. Diody Ge – złącze p-n, diody Si (styk igły wolframowej z krzemem typu p), diody GaAs (styk igły fosforobrązowej z arsenkiem galu typu n). Bardzo mała pojemność złącza, duża częstotliwość pracy (2000 GHz). Diody Schottky’ego - styk płaskiej elektrody metalowej z półprzewodnikiem – bardzo krótkie czasy przełączania. Ich mała bezwładność predysponuje je do zastosowań jako diody mieszające i detekcyjne (do 100 GHz). Diody zwrotne - dioda tunelowa o znikomo małym prądzie szczytu – złącze p+-n+ nieco słabiej domieszkowane, poziom Fermiego na krawędzi pasma zabronionego. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia nie ma prądu Esakiego, przy polaryzacji w kierunku wstecznym raptownie wzrasta tunelowy prąd Zenera.
57 Diody o zmiennej impedancji - W kierunku wstecznym dioda p-i-n odznacza się bardzo dużąrezystancją i bardzo małą pojemnością. Podczas polaryzacji w kierunku przewodzenia do warstwy i wstrzykiwane są dziury i elektrony, warstwa ta jest zalewana, a więc dioda przechodzi w stan małej impedancji. DIODY MIKROFALOWE Z UJEMNĄ REZYSTANCJĄ DYNAMICZNĄ - w diodach tych do bezpośredniego przetwarzania energii prądu stałego na energię prądu zmiennego wykorzystuje się ujemną rezystancję dynamiczną wywołaną: - elektronowymi przejściami energetycznymi (diody TE – kilkaset mW) - skończonym czasem przelotu w obszarze ich unoszenia (diody TT – kilkaset mW) - tunelowanie nośników z pasma przewodnictwa przez warstwę zaporową do pasma walencyjnego (diody tunelowe – służą do wzmacniania i generacji sygnałów mikrofalowych małej mocy ~ mW). Diody TE - zmniejszają ruchliwość elektronów (spadek konduktancji diody) w obecności silnego pola elektrycznego – oscylacje prądu – w półprzewodnikach, w których są możliwe elektronowe przejścia energetyczne przy dużym natężeniu pola elektrycznego (InP,GaAs)
58 Diody przelotowe - lawinowo-przelotowe (IMPATT i TRARAPATT) – powielanie lawinowe nośników w określonym obszarze oraz ich przelot przez warstwę ładunku przestrzennego - iniekcyjno-przelotowe (BARITT) W diodach lawinowo-przelotowych ujemną konduktancje dynamiczną uzyskuje się w efekcie przesunięcia fazowego o 180O między zmiennymi sygnałami prądu i napięcia spowodowanego skończonym czasem przelotu nośników przez warstwę ładunku przestrzennego. Dioda IMPATT typu n+*p-p*p+ ( struktura Reada) wraz z rozkładem natężenia pola
59 W diodach iniekcyjno-przelotowych dwa złącza p-n rozdzielone są warstwą słabo domieszkowaną (obszar unoszenia). Źródłem nośników nie z jonizacji zderzeniowej lecz z wstrzykiwania poprzez jedno ze złącz spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. przebiegi napięcia i prądu Diody TE - umożliwiają uzyskanie dużych mocy przy dużych częstotliwościach (100 GHz); ich sprawność wynosi kilka procent dla pracy ciągłej oraz 20-30% dla pracy impulsowej. Wzmacniacz z tymi diodami ma szerokie pasmo przenoszenia, dobrą liniowość fazy i amplitudy, niskie napięcie zasilania i małe szumy, ale ma małe moce wyjściowe i niezbyt wysoką stabilność temperaturową. Diody IMPATT - umożliwiają uzyskanie większych mocy, ale potrzebne jest większe napięcie zasilania (100 V). Sprawność 10-40%. Wzmacniacze z diodami IMPATT dają większe moce wyjściowe i lepszą stabilność temperaturową, ale małe pasmo przenoszenia, duże napięcie zasilania. Diody BARITT - służą do generacji fali ciągłej małej mocy (kilkaset mW) o częstotliwości <12 GHz i sprawności 5%. Znajdują zastosowanie w małych radarach (policyjnych). Zasilacze zbudowane z diod BARITT charakteryzują się niskim poziomem szumów.
60 źródło napięcia odniesienia w stabilizatorach, ponadto używana bywa do Dioda Zenera - ( stabilistor), odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza p-n. Po przekroczeniu napięcia przebicia ma miejsce nagły, gwałtowny wzrost prądu. W kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach (do ok. 5 V) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, w zakresie od 5 do 7 V zjawisko Zenera i przebicie lawinowe, a powyżej 7 V – wyłącznie przebicie lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia (dioda posiada w tym stanie niewielką oporność dynamiczną). Diody Zenera stosuje się jako źródło napięcia odniesienia w stabilizatorach, ponadto używana bywa do przesuwania poziomów napięć oraz jako element zabezpieczający i przeciwprzepięciowy (transil).
61 Charakterystyka diod ZeneraA - anoda K - katoda dioda Zenera symbol diody Zenera diody Zenera napięcie przebicia Charakterystyka diod Zenera - przebicie niepowodujące uszkodzenia diody, - napięcie przebicia określone dokładnie, z niewielką tolerancją, typowo 5% (dla np. diod prostowniczych ważne jest, aby nie było mniejsze od zadanej wartości), - mała oporność dynamiczna,
62 - zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stanu przebicia złącza- (możliwe ostre "kolano" na charakterystyce I = f(U)). Dioda Schottky'ego - dioda półprzewodnikowa, w której w miejsce złącza p-n zastosowano złącze metal-półprzewodnik. Charakteryzuje się małą pojemnością złącza, dzięki czemu typowy czas przełączania wynosi tylko około 100 ps. Diody Schotky'ego o małych wymiarach mogą działać przy częstotliwości dochodzącej do kilkudziesięciu GHz. Natomiast diody na duże prądy znajdują zastosowanie w impulsowych urządzeniach energoelektronicznych takich jak zasilacze impulsowe (np. zasilacz komputerowy), falownik i czy przetwornice napięcia i częstotliwości pracujące z częstotliwością od 200 kHz do 2 MHz. Pozwala to na znaczną miniaturyzację tych urządzeń, jak również osiągniecie dużej sprawności dochodzącej do 90%. Diody Schottky'ego mają również dwukrotnie mniejszy spadek napięcia w kierunku przewodzenia (UF = 0,3 V) niż diody krzemowe (UF = 0,6-0,7 V). Zwykle maksymalne napięcie wsteczne jest niewielkie i nie przekracza 100 V. Nazwa diody pochodzi od nazwiska niemieckiego fizyka Waltera Schottky'ego.
63 Diody Schottky'ego A - anoda K - katoda symbol diody Schottky'egodioda Schottky’ego przekrój przez 9-milimetrową diodę Schottky'ego dioda-prostownicza-Schottky-60V-20A Diody Schottky'ego diody Schottky'ego na prądy od 0,1 A do 2 x 30 A
64 elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Tranzystory - trójelektrodowy (rzadziej czteroelektrodowy) półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego. Nazwa wywodzi się od słów transkonduktancja (transconductance) z "półprzewodnikowym" przyrostkiem – stor jak w warystor (varistor). Wynalezienie tranzystora uważa się za przełom w elektronice, zastąpił on bowiem duże, zawodne i energochłonne lampy elektronowe, dając początek coraz większej miniaturyzacji przyrządów i urządzeń elektronicznych, zwłaszcza że dzięki mniejszemu poborowi mocy można było zmniejszyć też współpracujące z tranzystorami elementy bierne. W układach scalonych o najwyższej skali integracji (na przykład w mikroprocesorach) ich liczba przekracza miliard współczesne tranzystory tranzystor Bell Telephone Laboratories
65 przewodnictwa (n i p). Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika Wyróżniamy dwie główne grupy tranzystorów, różniące się zasadą działania. Tranzystory bipolarne - prąd przepływa przez złącza półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa (n i p). Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika o typie przewodnictwa odpowiednio npn lub pnp. Charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego elektrodami (bazą i emiterem) steruje większym prądem płynącym między innymi elektrodami (kolektorem i emiterem). typ pnp typ npn E - emiter B - baza C - kolektor symbole tranzystorów bipolarnych Tranzystory unipolarne - Tranzystory unipolarne (tranzystory polowe) to takie, w których prąd płynie przez półprzewodnik o jednym typie przewodnictwa. Prąd wyjściowy jest w nich funkcją napięcia sterującego. W obszarze półprzewodnika z dwiema elektrodami: źródłem i drenem tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd. Wzdłuż tego obszaru umieszczona jest trzecia elektroda, zwana bramką. Napięcie przyłożone do bramki
66 zmienia przewodnictwo kanału, wpływając w ten sposób na płynący prąd. W tranzystorach MOSFET bramka jest odizolowana od kanału warstwą dielektryka, a w tranzystorach polowych złączowych (JFET) spolaryzowanym w kierunku zaporowym złączem p-n. S - źródło D - dren G - bramka JFET Inne typy tranzystorów to: tranzystory jednozłączowe i tranzystory IGBT. Ze względu na typy użytych półprzewodników dzieli się je na: pnp, npn - bipolarne, z kanałem typu p, z kanałem typu n - unipolarne. Podział ze względu na materiał półprzewodnikowy z jakiego są wykonywane: - German - materiał historyczny, obecnie najczęściej stosowany w technice wysokich częstotliwości w połączeniu z krzemem (heterostruktury), - Krzem - obecnie podstawowy materiał półprzewodnikowy, bardzo szeroko stosowany, - Arsenek galu - stosowany w technice bardzo wysokich częstotliwości, - Azotek galu - stosowany w technice bardzo wysokich częstotliwości,
67 dużych mocy i w wysokich temperaturach.- Węglik krzemu - (rzadko) stosowany w technice bardzo wysokich częstotliwości, dużych mocy i w wysokich temperaturach. Ze względu na parametry tranzystory dzieli się na: - małej mocy, małej częstotliwości - dużej mocy, małej częstotliwości - małej mocy, wielkiej częstotliwości - dużej mocy, wielkiej częstotliwości - tranzystory przełączające (impulsowe) Tranzystory ze względu na swoje właściwości wzmacniające wykorzystuje się do budowy wzmacniaczy różnego rodzaju: różnicowych, operacyjnych, mocy, selektywnych, szerokopasmowych. Jest kluczowym elementem w konstrukcji wielu układów elektronicznych, takich jak źródła prądowe, lustra prądowe, stabilizatory, przesuwniki napięcia, klucze elektroniczne, przerzutniki, generatory i wiele innych. Dzięki rozwojowi technologii oraz ze względów ekonomicznych większość wymienionych wyżej układów tranzystorowych realizuje się w postaci układów scalonych. Co więcej, niektórych układów, jak np. mikroprocesorów liczących sobie miliony tranzystorów, nie sposób byłoby wykonać bez technologii scalania.
68 Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do Tyrystor - element półprzewodnikowy składający się z 4 warstw w układzie p-n-p-n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw skrajnych nazywa się katodą i anodą, a elektroda przyłączona do warstwy środkowej – bramką K – katoda A – anoda G – ang. gate - bramka Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda jest o dodatnim potencjale względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, tyrystor nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; następuje wyzwolenie tyrystora. Moment ten nazywany bywa "zapłonem„ tyrystora (określenie to pochodzi z czasów, kiedy funkcję tyrystorów pełniły lampy elektronowe – tyratrony, w których przewodzenie objawiało się świeceniem zjonizowanego gazu).
69 polaryzacji elektrod. Wówczas konieczny jest ponowny zapłon tyrystora.Inaczej niż tranzystor, wyzwolony tyrystor nadal przewodzi prąd po ustaniu sygnału sterującego bramką (brak przyłożonego napięcia do bramki), co jest jego niewątpliwą zaletą (brak dodatkowych strat sterowania). Traci on te właściwości dopiero po zaniku prądu obciążenia (poniżej wartości prądu przewodzenia, minimalny prąd podtrzymania) lub przy odwrotnej polaryzacji elektrod. Wówczas konieczny jest ponowny zapłon tyrystora. Wysokonapięciowy wysokoprądowy tyrystor budowa i schemat zastępczy tyrystory Parametry tyrystorów - graniczne napięcie powtarzalne URRM i graniczne napięcie niepowtarzalne URSM w kierunku zaporowym. - graniczne napięcie powtarzalne UDRM i graniczne napięcie niepowtarzalne UDSM w kierunku przewodzenia w stanie blokowania [a]. Napięcie pracy tyrystora nie powinno przekraczać 0,67 UDRM.
70 - prąd graniczny obciążenia ITAVM, określany jako największa wartość średnia prądutyrystora o kształcie półfali sinusoidy o częstotliwości sieci energetycznej (50 lub 60 Hz) w określonych warunkach chłodzenia - właściwości sterowania określone przez charakterystyki napięciowo-prądowe bramki UG = f (IG). Charakterystyka tyrystorów - małe rozmiary - niewielka masa - duża odporność na wstrząsy - duża odporność na narażenia środowiskowe - możliwość pracy w temp. −65 °C do +125 °C - mały spadek napięcia na elemencie przewodzącym rzędu 0,6–1,6 V - krótki czas przejścia ze stanu zaporowego w stan przewodzenia i na odwrót - możliwość pracy przy dużych napięciach i natężeniach (do 10 kV i kilku kA) - jednokierunkowe przewodzenie (nie dotyczy tyrystora dwukierunkowego – triaka) - "wygasanie" tyrystora po zaniku prądu przewodzenia, wymagające ponownego "zapłonu" prądem bramki (wada ta bywa wykorzystywana i w niektórych zastosowaniach staje się zaletą)
71 Rodzaje tyrystorów - fototyrystor - tyrystor asymetryczny - tyrystor dwukierunkowy – triak - tyrystor elektrostatyczny - tyrystor sterowany - tyrystor triodowy blokujący wstecznie SCR - tyrystor triodowy przewodzący wstecznie - tyrystor wyłączalny prądem bramki GTO (gate turn-off) - tyrystor ze zintegrowanym obwodem komutacji bramką IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) Diaki - (ang. DIode for Alternating Current (DIAC)). odmiana tyrystora, dwukierunkowy półprzewodnikowy element wyzwalający, składający się z dwóch połączonych antyrównolegle (równolegle i przeciwsobnie) dynistorów. Diak przełącza się ze stanu blokowania do stanu przewodzenia na ogół przy napięciu około 30 V (w zależności od modelu – napięcie to nie przekracza kilkuset woltów), typowa wartość prądu przewodzenia nie przekracza kilkudziesięciu amperów. Używane są zazwyczaj w układach wyzwalających triaki.
72 Triak - (symistor), element półprzewodnikowy należący do rodziny tyrystorów. Mapięciowarstwową strukturę n-p-n-p-n, pod względem funkcjonalnym jest odpowiednikiem dwóch tyrystorów połączonych antyrównolegle (przeciwsobnie i równolegle). Triak ma trzy końcówki, 2 anody oraz bramkę. Triaki stosowane są w obwodach prądu przemiennego przewodzą prąd w obu kierunkach, triak włączany jest prądem bramki, wyłącza się gdy natężenie prądu jest równe zero. Używane są jako łączniki dwukierunkowe, przekaźniki oraz regulatory mocy. Triaki bardzo często są sterowane przez diaki. Działanie triaka jest analogiczne do przeciwsobnego połączenia dwóch tyrystorów (SCR). Triak posiada tylko jedną bramkę – włączenie następuje niezależnie od polaryzacji (w przeciwieństwie do tyrystora, który może być załączony tylko jeśli potencjał anody jest większy od potencjału katody). Triak działa w obu kierunkach polaryzacji i zachowuje się jak tyrystor w dodatniej części swojej charakterystyki (stan blokowania bądź przewodzenia) – charakterystyka triaka jest symetryczna względem początku układu współrzędnych, a w części dodatniej jest charakterystyką tyrystora. symbol triaka triaki i tyrystor triak sterowany za pomocą diaka
73 Alternistor - triak z polepszonymi parametrami wyłączaniaAlternistor - triak z polepszonymi parametrami wyłączania. Przeznaczone do poprawy warunków komutacji wysoce indukcyjnych obciążeń, takich jak np. silniki. Odbiorniki wysoko indukcyjne sprawiają problemy dla „normalnych” triaków ze względu na duże przepięcia podczas wyłączania prądu (rozproszona musi zostać energia zmagazynowana w odbiorniku). Zwykły triak może również pracować przy obciążeniu indukcyjnym, niemniej niezbędne jest jednak zastosowanie układu gasikowego RC, alternistory natomiast są wykonane specjalnie do tego celu i nie potrzebują dodatkowych zabezpieczeń w postaci układu gasikowego. Zdolność do sterowania takimi obciążeniami okupiona jest gorszymi parametrami komutacji w 4 ćwiartce (ujemne napięcie zasilania – dodatnie napięcie bramki). Nie ma to zazwyczaj większego znaczenia, gdyż jest to obszar pracy rzadko wykorzystywany (zwykłe triaki są również najmniej wrażliwe w 4 ćwiartce). A1, A2 – anody G – bramka MT1, MT2 -anody
74 Elementy optoelektroniczneFotorezystor – element półprzewodnikowy bezzłączowy, który pod wpływem promieniowania świetlnego silnie zmienia swoją rezystancję. Część roboczą (światłoczułą) fotorezystora stanowi cienka warstwa półprzewodnika osadzona na podłożu dielektrycznym wraz z elektrodami metalowymi doprowadzającymi prąd ze źródła zewnętrznego. Całość umieszcza się w obudowie z okienkiem, służącym do przepuszczania promieniowania świetlnego. Zasada działania: - zmiana rezystancji pod wpływem promieniowania - maksymalna czułość dla odpowiedniej długości fali
75 Znajdują zastosowanie przy:Fotorezystory zbudowane są z: - siarczek kadmu CdS – czuły na światło widzialne, - selenek kadmu CdSe – czuły na światło podczerwone. Znajdują zastosowanie przy: - automatyczne włączanie lamp w nocy - proste wersje mierników światła w kamerach - najczulsze detektory promieniowania podczerwonego odbieranego z kosmosu Parametry fotorezystorów: - rezystancja przy oświetleniu E = 10lx - rezystancja przy oświetleniu E = 100lx - rezystancja ciemna po 1 sekundzie - czułość maksymalna dla długości fali - dopuszczalne moc maksymalna - czas przełączania
76 Fotodioda - wykonane są jako elementy złącza p-n lub p-i-n, z warstwą samoistną(niedomieszkowaną). Fotony padające na złącze są absorbowane (zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne) w rezultacie czego elektron zostaje przeniesiony do pasma przewodnictwa i powstaje para elektron-dziura. Elektrony swobodne są przyciągane przez dodatni ładunek przestrzenny na granicy obszaru typu n, dziury zaś wędrują do obszaru typu p. Prąd przewodzenia złącza p-n zwiększa się wraz ze wzrostem strumienia świetlnego. Złącze musi być spolaryzowane zaporowo z zewnętrznego źródła napięcia. Tryb pracy fotodiody: - brak polaryzacji – dioda pracuje jako źródło prądu elektrycznego, przy oświetleniu w złączu powstaje siła elektromotoryczna wywołująca prąd elektryczny (fotoprąd lub zjawisko fotowoltaiczne). - przy polaryzacji zaporowej – do diody podłączone jest napięcie w kierunku zaporowym, dioda pełni rolę rezystora którego opór zależy od oświetlenia. Przy braku światła płynie tzw. prąd ciemny. Po oświetleniu liczba ładunków mniejszościowych wzrasta, a co za tym idzie wzrasta prąd wsteczny. Fotodiody stosuje się przy braku polaryzacji – bateria słoneczna i przy polaryzacji zaporowej- nieliniowy rezystor, w którym opór zależy od strumienia światła, mierniki odległości, mierniki wymiarów, komunikacja światłowodowa, itp.
77 Fotodiody dzielimy na:- fotodiody lawinowe. Elementy pracujące w zakresie przebicia lawinowego złącza pn. Fotodiody lawinowe są najbardziej czułymi, półprzewodnikowymi detektorami światła. Fotoprąd jest tak duży, jak w zwykłej fotodiodzie, ale jest wzmacniany w warstwie, gdzie fotoelektrony są przyspieszane przez silne pole elektryczne. Pociąga to za sobą dalsze elektrony, które z kolei pociągają następne. Jest to tak zwany efekt lawinowy. Sygnał jest wzmacniany wewnętrznie ok. 100 razy. Diody lawinowe są czułe na różnice napięcia i temperatury i dlatego muszą być bardzo dokładnie kompensowane, - fotodiody pin. Między domieszkowanymi obszarami p-n znajduje się warstwa półprzewodnika samoistnego i. W takiej strukturze warstwa zaporowa ma dużą grubość, równą w przybliżeniu grubości warstwy samoistnej, co powoduje że pojemność takiego złącza jest bardzo mała, z czym wiąże się mała bezwładność działania fotodiody. - fotodiody pn. Fotodiody pracują przy polaryzacji złącza w kierunku zaporowym. W stanie ciemnym (przy braku oświetlenia) przez fotodiodę płynie tylko prąd ciemny, będący prądem wstecznym złącza określonym przez termiczną generację nośników. Oświetlenie złącza powoduje generację dodatkowych nośników i wzrost prądu wstecznego złącza, proporcjonalny do natężenia padającego promieniowania.
78 Przykłady fotodiod i schematyfotodioda lawinowa fotodioda PIN zwykła fotodioda na złączu p-n Przykłady fotodiod i schematy Fotodioda lawinowa - parametry Max nap. Wsteczne: 194 V przy Ip=1 mA Prąd przemienny: nA max Czułość: mA/W Najw. Czułość: nm Zakres temperatur: -20 do +60 OC Obudowa: TO18
79 Fotodioda PIN EL-PD202B Prod. Everlight Z filtrem światła. Max VR ; V Czułość: µA przy E=5 mW/cm2 Najw. Czułość: nm Czas nar./opad.: 6/6n/s Prąd ciemny: nA Fotodioda PD 410PI
80 PD410PI jest szybką fotodiodą z filtrem zaporowym Prod. Sharp PD410PI jest szybką fotodiodą z filtrem zaporowym dla światła widzialnego. Może być z powodzeniem stosowana np.. w urządzeniach zdalnego sterowania. VR: V Prąd ciemny: 10 nA Dług. Fali: nm tr / tf : ns / 200 ns ogólny symbol fotodiody
81 Konfiguracje pracy fotodiodNależy pamiętać, żeby fotodioda pracowała w liniowym zakresie pracy, co wiąże się z jej Odpowiednią polaryzacją w kierunku zaporowym
82 Fototranzystor - to tranzystory bipolarne (najczęściej typu npn) w których obudowiewykonano okno umożliwiające oświetlenie obszaru bazy tranzystora. Fototranzystor polaryzujemy tak jak zwykły tranzystor tj. złącze baza emiter jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza kolektor w kierunku zaporowym. Powszechnie fototranzystory wykonywane są jako elementy dwukońcówkowe tj. wyprowadzone są kontakty emitera i kolektora, baza zazwyczaj pozostaje nie wyprowadzona na zewnątrz. Przy braku oświetlenia przez fototranzystor płynie prąd zerowy, związany z termiczną generacją nośników, jest to prąd zaporowo spolaryzowanego złącza p-n na granicy obszarów bazy i kolektora. Fototranzystory - działają jak zwykłe tranzystory - w obudowie okno umożliwiające podświetlenie bazy padające promieniowanie na bazę spolaryzowanego fototranzystora powoduje powstanie nośników
83 Fototranzystory dzielimy na kilka grup, tj: - długość fali promieniowania, na które czuły jest fototranzystor - obudowy – przezroczyste, ciemne - dodatkowe elementy wewnętrzne Zastosowanie fototranzystorów: - detektor światła podczerwonego, - systemy zabezpieczające, - kontrolery marginesów, - licznik monet, - piloty zdalnego sterowania, fototranzystor OP705 - parametry
84 Prod. Optek Fototranzystor z małym kątem detekcji. Ma wbudowany rezystor pomiędzy bazą, a emiterem w celu zmniejszenia wpływu światła otoczenia. Max VCE : V Prąd świec.: 3,95 mA min przy VCE = 5 V E = 0,50 mW/cm2 Kąt detekcji: -/+ 8O Max IC : mA Konfiguracja pracy fototranzystorów Optoisolator Optical Switch Retro Sensor
85 oraz przepływie prądu o wartości kilkunastu mA diod świeci. Kilka diod Diody LED - pełnia taką samą rolę jak zwykłe diody. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia oraz przepływie prądu o wartości kilkunastu mA diod świeci. Kilka diod połączonych wspólną katodą lub anodą może stanowić wyświetlacz. Przy wielu segmentach może być konieczne zastosowanie dodatkowych układów wzmacniających wydajność prądową. Diody LED można podzielić ze względu na materiał, z którego są wykonane: - Arsenek galu, GaAs, (650 nm). - Arsenofosforek galu, GaAsP, ( nm). - Fosforek galu, GaP, (565 nm). - Azotek galu, GaN, (430 nm). - Azotek indowo-galowy InGaN/YAG (białe) Zastosowanie diod LED: - wyświetlanie wyników pomiarów, działania układu. Stanowi rodzaj interfejsu użytkownika - nadajniki promieniowania podczerwonego Parametry diod LED: - długość fali emitowanego promieniowania
86 - natężenie światła - prąd przewodzenia (typowy, maksymalny) - kąt świecenia - napięcie przewodzenia Dioda LED Kingbright Dane techniczne: Wymiary : 2,3 * 7 mm Producent : Kingbright Zakres jasności przy 10 mA
87 Istnieją migające diody LED z wbudowanymi układami odpowiadający mi za migotanie(zazwyczaj kilka Hz) Diody LED migające Kingbright Średnica : 8mm Producent : Kingbright Napięcie pracy : 9V Częstotliwość migania : 1, Hz Połączenie dwóch diod LED przeciwsobnie pozwala na uzyskanie diody dwukolorowej W zależności od kierunku przepływu prądu dioda świeci na różny kolor
88 napięcie progowe od 1.5 do 3Vcharakterystyka przejściowa diody LED diody LED wyświetlacz LED podział światła widzialnego LED
89 Konfiguracje pracy LED:sygnalizator włączenia zasilania przy napięciu stałym sygnalizator włączenia zasilania przy napięciu zmiennym sterowanie wyświetlaczem LED – pin sterowanie uaktywnia wyświetlacz, piny A,B,C… odpowiadają za kolejne segmenty (oba aktywne ‘0’)
90 Fototyrystor - LASCR (gr. phōtós – światło + tyrystor, angFototyrystor - LASCR (gr. phōtós – światło + tyrystor, ang. Light Activated Semiconductor Controlled Rectifier) – element optoelektroniczny, rodzaj tyrystora wyzwalanego promieniowaniem elektromagnetycznym. Wykonywany jest zazwyczaj z krzemu i umieszczany w obudowie umożliwiającej przeniknięcie do wnętrza światła lub promieniowania o innej częstotliwości. Strumień promieniowania powoduje zmianę stanu tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia, przy czym moc promieniowania strumienia potrzebna do przełączenia zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia anoda-katoda (U_{A-K}). Można także regulować próg włączenia fototyrystora napięciem bramki (jeśli jest wyprowadzona na zewnątrz obudowy). Stan przewodzenia utrzymuje się także po zaniku strumienia światła. Zastosowanie fototyrystorów: jako przekaźniki (reagujące na światło), detektory światła. symbol elektryczny fototyrystora
91 Układ scalony Układ scalony - (ang. integrated circuit, chip, potocznie po polsku kość), zminiaturyzowany układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystor, dioda półprzewodnikowa, opornik i kondensator. Prekursorem współczesnych układów scalonych była wyprodukowana w 1926 lampa próżniowa Loewe 3NF zawierająca wewnątrz jednej bańki trzy triody (dwie sygnałowe i jedną głośnikową), dwa kondensatory i cztery rezystory, całość była przeznaczona do pracy jako jednoobwodowy radioodbiornik reakcyjny. osobą która opracowała teoretyczne podstawy układu scalonego był angielski naukowiec Geoffrey Dummer, nie udało mu się jednak zbudować pracującego układu. W 1958 Jack Kilby z Texas Instruments i Robert Noyce z Fairchild Semiconductor niezależnie od siebie zaprojektowali i zbudowali działające modele układów scalonych. Układ scalony jest zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie – szklanej, metalowej, ceramicznej lub wykonanej z tworzywa sztucznego.
92 W zależności od sposobu wykonania układy scalone dzieli się na grupy:- monolityczne - w których wszystkie elementy, zarówno elementy czynne jak i bierne wykonane są w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika - hybrydowe – na płytki wykonane z izolatora nanoszone są warstwy przewodnika oraz materiału rezystywnego, które następnie są wytrawiane, tworząc układ połączeń elektrycznych oraz rezystory. Do tak utworzonych połączeń dołącza się indywidualne, miniaturowe elementy elektroniczne (w tym układy monolityczne). Ze względu na grubość warstw rozróżnia się układy: - cienkowarstwowe (warstwy ok. 2 mikrometrów) - grubowarstwowe (warstwy od 5 do 50 mikrometrów) Większość stosowanych obecnie układów scalonych jest wykonana w technologii monolitycznej. Ze względu na stopień scalenia występuje, w zasadzie historyczny, podział na układy: - małej skali integracji (SSI – small scale of integration) - średniej skali integracji (MSI – medium scale of integration) - dużej skali integracji (LSI – large scale of integration) - wielkiej skali integracji (VLSI – very large scale of integration) - ultrawielkiej skali integracji (ULSI – ultra large scale of integration)
93 o gęstości upakowania tranzystorów na mm². Ponieważ w układach monolitycznych praktycznie wszystkie elementy wykonuje się jako tranzystory, odpowiednio tylko przyłączając ich końcówki, dlatego też często mówi się o gęstości upakowania tranzystorów na mm². W obecnej technologii wytwarzania monolitycznych układów scalonych (technologia CMOS) często używanym wskaźnikiem technicznego zaawansowania procesu oraz gęstości upakowania elementów układów scalonych jest minimalna długość kanału tranzystora wyrażona w mikrometrach lub nanometrach. Długość kanału zwana - rozmiarem charakterystycznym i im jest on mniejszy, tym upakowanie tranzystorów oraz ich szybkość działania są większe. Kolejne generacje układów scalonych sukcesywnie go zmniejszają. Hybrydowy układ scalony Monolityczne układy scalone Lampa Loewe 3NF
94 Koniec