Elektronika
Elektronika
Elektronika – dziedzina techniki i nauki zajmującą się
wytwarzaniem i przetwarzaniem sygnałów w postaci prądów i napięć
elektrycznych lub pól elektromagnetycznych.
Do realizacji tych celów służą różnorodne przyrządy:
•elementy aktywne: półprzewodnikowe (tranzystory,
tyrystory, układy scalone itp.), lampy próżniowe
(diody, triody, pentody itd.)
•elementy bierne: (rezystory, kondensatory, cewki,
diody półprzewodnikowe itp.
Dzisiaj elektronika, ze względu na
zapotrzebowania z różnych
dziedzin życie, zawiera w sobie
jeszcze więcej kierunków. Do
najważniejszych, oprócz
radiotechniki należy też
optoelektronika,
teletechnika
,
elektronik cyfrowa,
mikroelektronika, lasery. Swój
rozwój elektronika zawdzięcza
badaniom w różnych dziedzinach
nauki, głównie dzięki fizyce
(półprzewodniki, optyka,
magnetyzm), chemii i matematyce
(symulowanie układów, analiza
zachowania, przetwarzanie
sygnałów, analiza stabilności i
inne)
W roku 1879 legendarny
amerykański wynalazca
Thomas Alva Edison publicznie
przedstawił po raz pierwszy
swoją jasno świecącą
żarówkęelektryczną.
Dioda próżniowa
Najprostszy rodzaj lampy elektronowej.
Posiada tylko dwie elektrody - anodę i
katodę. Katoda jest źródłem elektronów,
a anoda ich odbiorcą. Emisja z katody
zachodzi pod wpływem wysokiej
temperatury (emisja termoelektronowa)-
katoda jest żarzona najczęściej za pomocą
prądu elektrycznego. Cechą
charakterystyczną diody jest
jednokierunkowy przepływ prądu
elektrycznego: w kierunku od anody do
katody (elektrony poruszają się w
kierunku odwrotnym), w sytuacji gdy
anoda ma potencjał dodatni względem
katody. W sytuacji przeciwnej lampa
prądu nie przewodzi. Jednokierunkowe
przewodzenie prądu zachodzi na skutek
tego, że rozgrzana katoda emituje
elektrony a zimna anoda nie emituje
elektronów. Po wyemitowaniu przez
katodę zostaną one przyciągnięte przez
anodę, gdy ta ma potencjał dodatni; gdy
anoda ma potencjał ujemny elektrony
zostaną przez nią odepchnięte i wrócą do
katody - przepływ prądu nie nastąpi.
Trioda
Trioda jest najprostszą i najstarsza lampą wzmacniającą.
Składa się z trzech elektrod – anody, katody i siatki.
Trioda umożliwia sterowanie przepływem elektronów
z katody do anody przez zmianę napięcia na siatce –
a zatem umożliwia budowanie
wzmacniaczy
sygnałów elektrycznych.
Podstawowymi parametrami triody
jest wzmocnienie (wyrażane w V/V) –
parametr mówiący ile razy więcej
musi się zmienić napięcia na anodzie
w stosunku do napięcia na siatce aby
utrzymać ten sam prąd anodowy,
nachylenie charakterystyki
(wyrażone w mA/V) – parametr
mówiący o ile miliamperów zmieni
się prąd anody przy zmianie napięcia
na sitace o 1V przy niezmiennym
napięciu na anodzie, oraz napięcia
maksymalne, prąd maksymalny i
moc maksymalna jaka może
wydzielić się na anodzie.
Podstawowym podziałem triod jest
podział na triody sygnałowe służące
do jak najsilniejszego wzmocnienia
amplitudy sygnału, oraz triody
głośnikowe – służące do dostarczenia
dużej mocy do obciązenia.
Etapy Rozwoju Elektroniki
Tranzystor
Pierwszy ostrzowy tranzystor
germanowy na stole w Bell
Laboratories – rok 1947
Tranzystor i później wynaleziony układ
scalony muszą być z pewnością
zakwalifikowane jako dwa największe
wynalazki XX wieku.
Pod koniec lat 1950-tych zaczęto
produkcję tranzystorów bipolarnych z
krzemu zamiast z germanu
Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw
półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza
PN; sposób polaryzacji złącz determinuje stan prac tranzystora.
Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika,
nazywane:
•emiter (ozn. E),
•baza (ozn. B),
•kolektor (ozn. C).
Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy
tranzystorów: pnp oraz npn; w tranzystorach npn nośnikiem prądu są
elektrony, w tranzystorach pnp dziury.
Tranzystor polowy, tranzystor
unipolarny, FET (ang. Field Effect
Transistor) - tranzystor, w którym
sterowanie prądem odbywa się za pomocą
pola elektrycznego.
Zasadniczą częścią tranzystora polowego
jest kryształ odpowiednio domieszkowanego
półprzewodnika z dwiema elektrodami:
źródłem (symbol S od angielskiej nazwy
source) i drenem (D, drain). Pomiędzy nimi
tworzy się tzw. kanał, którym płynie prąd.
Wzdłuż kanału umieszczona jest trzecia
elektroda, zwana bramką (G, gate). W
tranzystorach epiplanarnych, jak również w
przypadku układów scalonych, w których
wytwarza się wiele tranzystorów na
wspólnym krysztale, wykorzystuje się
jeszcze czwartą elektrodę, tzw. podłoże (B,
bulk albo body), służącą do odpowiedniej
polaryzacji podłoża.
Przyłożone do bramki napięcie wywołuje w
krysztale dodatkowe pole elektryczne, które
wpływa na rozkład nośników prądu w
kanale. Skutkiem tego jest zmiana
efektywnego przekroju kanału, co objawia
się jako zmiana oporu dren-źródło. Jeśli
rezystancja kanału jest bardzo duża (rzędu
megaomów) wówczas mówi się, że kanał jest
zatkany, ponieważ prąd dren-źródło
praktycznie nie płynie. Natomiast jeśli
rezystancja jest niewielka (kilkadziesiąt,
kilkaset omów), mówi się, że kanał jest
otwarty, prąd osiąga wówczas maksymalną
wartość dla danego napięcia dren-źródło.
Tyrystor
Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym składającym 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 (K) i anodą (A), a elektroda
przyłączona do warstwy środkowej – bramką (G, od ang. gate –
bramka).
Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda
ma dodatnie napięcie 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, dopóty tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu.
Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody
spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe
środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; moment
ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora (określenie to pochodzi z
czasów, kiedy funkcję tyrystorów pełniły lampy elektronowe –
gazotrony, w których przewodzenie objawiało się świeceniem
zjonizowanego gazu.
Etapy Rozwoju Elektroniki
Układy scalone –
Mikroelektronika
W lecie roku 1958 Jackowi Kilby'emu, pracującemu
dla Texas Instruments, udało się wytworzyć kilka
elementów
elektronicznych na pojedynczym kawałku
półprzewodnika
.
W roku 1961 firmy Fairchild i Texas Instruments ogłosiły dostępność
pierwszych
komercyjnych, planarnych układów scalonych zawierających proste
funkcje logiczne
W roku 1963 firma Fairchild wyprodukowała układ scalony
pod nazwą 907, który zawierał dwie bramki logiczne złożone
każda z czterech tranzystorów bipolarnych i czterech oporników
.
W roku 1967 firma Fairchild wprowadziła na rynek układ zwany Micromosaic,
który zawierał kilkaset tranzystorów.
Układ scalony – (ang. intergrated circuit, chip) (potocznie kość), zminiaturyzowany
układ elektroniczny zawierający w swym wnętrzu od kilku do setek milionów
podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, rezystory,
kondensatory.
Zwykle zamknięty w hermetycznej obudowie - szklanej, metalowej, ceramicznej lub
wykonanej z tworzywa sztucznego. Ze względu na sposób wykonania układy scalone
dzieli się na główne 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
)
W procesie produkcji
monolitycznego układu
scalonego
można wyróżnić ok. 350
operacji
technologicznych
Następny wykład:
Pole elektryczne
Potencjał elektryczny, napięcie
Ładunek i Prąd elektryczny
Prawo Ohma
Prawo Kirchoffa
Moc prądu elektrycznego
Pojemność elektryczna
Opór i pojemność zastępcze
Prąd zmienny
