PODSTAWOWE ZAGADNIENIA Z ELEKTRONIKI - WYKŁAD

Spadek oporności niesie wzrost temperatury. Zależność ta wykorzystywana jest w w pomiarach temperatury i wykrywaniu wzrostu temperatury

Termistor to opornik półprzewodnikowy, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury. Wykonuje się je z tlenków: manganu, niklu, kobaltu, miedzi, glinu, wanadu i litu. Od rodzaju i proporcji użytych tlenków zależą właściwości termistora.

NTC - o ujemnym współczynniku temperaturowym (ang. negative temperature coefficient) - wzrost temperatury powoduje zmniejszanie się rezystancji;

dzielnik napięcia dzielnik napięcia

pomiarowego odniesienia

PTC - (pozystor) o dodatnim współczynniku temperaturowym (ang. positive temperature coefficient), wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji;

CTR - o skokowej zmianie rezystancji (ang. critical temperature resistor) - wzrost temperatury powyżej określonej powoduje gwałtowną zmianę wzrost/spadek rezystancji. W termistorach polimerowych następuje szybki wzrost rezystancji (bezpieczniki polimerowe), a w ceramicznych zawierających związki baru, spadek.

Budowa półprzewodnika

Taką budowę mają takie półprzewodniki jak Krzem, German

Najkorzystniejszy układ tzw. oktet elektronowy - 8 elektronów na zewnętrznej powłoce walencyjnej.

Prąd elektryczny - uporządkowany ruch ładunków elektrycznych poruszających się pod wpływem pola elektrycznego.

Ruchy Browna - nieuporządkowane ruchy ładunków elektrycznych przy braku pola elektrycznego.

Ładunki dodatnie (protony) zgromadzone są w jądrze atomu. Ładunków dodatnich jest tyle samo, co ujemnych. Jeśli jednych jest więcej niż drugich to jest to jon.

Półprzewodnik, w którym liczba elektronów równa jest liczbie dziur to półprzewodnik samoistny (występuje tylko w przypadku półprzewodników samoistnych).

Jeśli pierwiastek ma więcej niż cztery elektrony na powłoce walencyjnej to przyłącza elektrony. Jeśli mniej niż cztery to oddaje elektrony.

Domieszkując kryształ Krzemu lub Germanu pierwiastkami pięciowartościowymi (np. Fosfor) powodujemy powstanie sytuacji, w której jeden elektron pierwiastka pięciowartościowego nie znajduje pary z atomami kryształu podstawowego Germanu lub Krzemu. Elektron ten jest tzw. elektronem swobodnym, ponieważ bardzo łatwo uwolni się ze struktury pierwiastka 5-wartościowego pod wpływem działania sił cieplnych. Kryształ taki nosi nazwę półprzewodnika typu „N”.

W przypadku domieszkowania półprzewodnika czterowartościowego (German, Krzem) pierwiastkiem trójwartościowym (np. Bor), wokół pierwiastka 3-wartościowego zgromadzi się siedem elektronów na ostatniej powłoce walencyjnej.

W wiązaniu tym występuje brak jednego elektronu, który rozumiany jest jako dziura. Atom ten będzie chciał uzupełnić liczbę elektronów na ostatniej powłoce walencyjnej do ośmiu, wyrywając elektron od sąsiada, powodując pojawienie się u niego dziury (ładunek dodatni). Jest to przykład półprzewodnika z nadmiarem ładunku dodatniego. W tym przypadku mamy do czynienia z przewodnictwem dziurawym.

N - nadmiar ładunku ujemnego P - nadmiar ładunku dodatniego

Po zetknięciu dwóch płytek półprzewodnika typu N i P, mamy do czynienia na granicy złącza tych płytek, z dyfuzją ładunków. Ładunki z płytki P będą przechodziły do N, a z płytki N do P, przy pomocy sił culombowskich. W ten sposób pojawia się warstwa nieskompensowanego ładunku dodatniego po stronie płytki P.

Ładunek po stronie N złącza odpycha dziur, natomiast dodatni po stronie P złącza odpycha elektrony, a zatem hamuje dalszy przepływ elektronów z N do P, hamując w ten sposób dalszą dyfuzję w półprzewodnikach. Powstała w ten sposób warstwa nosi nazwę warstwy zaporowej, która uniemożliwia dalszą dyfuzję dziur i elektronów. Powoduje to powstanie stanu równowagi.

Polaryzacja w kierunku zaporowym

Połączone dwie płytki półprzewodnika tworzą diodę. Przy polaryzacji w kierunku zaporowym pojemność diody maleje, przy polaryzacji w kierunku przewodzenia pojemność rośnie.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia

Charakterystyka statyczna diody

Dioda półprzewodnikowa to dwu końcówkowy element półprzewodnikowy. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych - typu n i typu p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia półprzewodnika z odpowiednim metalem - dioda Schottky'ego. Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu - od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).

Uzg - graniczne napięcie zaporowe

Uzdop dopuszczalne napięcie zaporowe

U_F - napiecie przewodzenia

I_R - Proąd wsteczny przy dopuszczalnym napieciu zaporowym

Schemat zastępczy diody półprzewodnikowej

R_f - rezystancja diody przewodzącej

C_r - pojemność diody

R_z - rezystancja diody w kierunku zaporowym

Diody półprzewodnikowe warstwowe typu PN mogą być wykorzystywane jako elementy prostownicze. Taka dioda może być charakteryzowana przez następujące parametry:

- napięcie progowe (Up), które może wynosić 0,2V dla Germanu lub 0,7V dla Krzemu. Do napięcia progowego prąd płynący przez diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia, zmienia się nieznacznie, natomiast po jego przekroczeniu ma miejsce lawinowy wzrost prądu.

- dopuszczalne napięcie wsteczne wynosi ok.. 80% wartości napięcia granicznego. Przy napięciu granicznym może dojść do fizycznego uszkodzenia diody (Uzg), ponieważ ma miejsce przepływu bardzo dużego prądu przy polaryzacji zaporowej.

- prąd wsteczny jest silnie zależny od temperatury i wynosi w zależności od typu diody od mikro- do miliamperów. Również w kierunku przewodzenia wartość prądu jest ograniczona.

- napięcie graniczne- powyżej tego napięcia może dojść do uszkodzenia diody - przebicie).

Fotodioda

Fotodioda jest tak skonstruowana, że na złącze PN może padać swobodnie światło. Złącze to przykryte jest materiałem o bardzo dobrej przezroczystości (przepuszczalności światła). Kwanty promieniowania elektromagnetycznego padającego na złącza PN spolaryzowane w kierunku zaporowym, będą generowały swobodne ładunki elektryczne (elektrony), które będą przechodzić przez to złącze, powodując wzrost prądu zależny od natężenia światła padającego na to złącze.

Elementy zabezpieczenia

Transoptory

Schemat transoptora Transoptro o zwiększonej czułości -

z dwoma tranzystorami w układzie Darlingtona

Transoptory - układy, które są wykorzystywane w układach, gdzie wymagane jest rozdzielenie (separacja) elektryczna obwodów. Takie rozwiązanie zapobiega przenoszeniu się uszkodzenia w obwodach wejściowych na obwody wyjściowe.

Parametrem charakterystycznym jest współczynnik wzmocnienia, tzn.

K=I₀/I_l

I₀ - prąd na wejściu;

I₁ - prąd na wyjściu.

Bardzo pożądane jest, aby ten współczynnik był jak największy.

Diody elektroluminescencyjne (LED - świecące) - wykonane są zazwyczaj z arsenku lub fosforku galu. Złącze tych diod jest przykryte materiałem bardzo dobrze przepuszczającym światło. Diody te emitują światło pod wpływem prądu przepływającego przez nie, spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Strumień światła jest większy, im większy jest prąd przepływający przez te diody. W zależności od konstrukcji (domieszkowania) uzyskuje się barwy żółte, czerwone, zielone i niebieskie.

Zastosowanie: elementy sygnalizacyjne i elementy składowe przetworników pomiarowych

Tranzystor bipolarny

Dwa złącza PN połączone szeregowo (stąd bipolarny - dwupolowy). Złącza umieszczone w obudowie hermetycznej z trzema wyprowadzeniami poszczególnych warstw półprzewodnika. Tranzystor NPN musi być spolaryzowany tak, by kolektor miał duży potencjał dodatni względem emitera, a baza mały potencjał względem emitera.

Stan zaporowy tranzystora Stan spolaryzowany w kierunku przewodzenia

I_B - prąd bazy

I_C - prąd kolektora

I_E - prąd emitera I_E = I_B + I_C I_E ≈ I_C I_C / I_B = β

β - współczynnik wzmocnienia prądowego (w zależności od typu transformatora może osiągnąć wartość do kilku tysięcy dla tranzystorów krzemowych).

Tranzystor typu PNP i NPN może pracować w dwóch stanach:

- zatkania (brak przewodzenia);

- otwarcia (przewodzenia.

Jeżeli spolaryzujemy złącze emiter - baza w ten sposób, że biegun dodatni źródła połączymy z emiterem, a ujemny z bazą, to wówczas ładunki ujemne emitera zgromadzą się przy jego zacisku, natomiast dodatnie w obszarze bazy.

Złącze baza - emiter w tym przypadku jest spolaryzowane zaporowo. Wówczas Ib = 0. Źródło polaryzujące połączenie emiter - kolektor ma taką wartość (kierunek), że prąd przez złącze baza - kolektor również nie przepływa.

Zmieniając polaryzację złącza baza - emiter w ten sposób, że biegun dodatni oddziaływuje na bazę, a ujemny na emiter, powodujemy wypadnięcie ładunków dodatnich z bazy do emitera, a ujemnych z obszaru emitera przez bazę do kolektora. Ładunki ujemne z obszaru emitera wnikłe do obszaru bazy zostają łatwo porwane przez potencjał dodatni polaryzacji kolektora, ponieważ baza jest grubości pojedynczych mikrometrów, a pole elektryczne kolektora wytwarzane jest przez napięcie rzędu kilkudziesięciu Voltów. Pole jest to znacznie silniejsze w porównaniu polem obwodu bazy, które wytwarza źródło o napięciu pojedynczych miliwoltów.

Regulując prądem bazy zmieniamy prąd kolektora. Wartościami granicznymi są U_CE i I_C

Krzywa mocy admicyjnej Pa = I_C ^. U_CE

Tranzystor jest wzmacniaczem. Wzmocnienie w tranzystorze uzyskuje się kosztem mocy źródła zasilającego. Wzmacniacze mogą wzmacniać napięcia, prądy i moce. Tranzystor będący elementem wzmacniacza charakteryzuje się następującymi wielkościami fizycznymi:

- napięciem granicznym U_CE;

- prądem granicznym I_C;

- mocą admisyjną (cieplną- dopuszczalną mocą, która jeszcze nie uszkodzi cieplnie tranzystora).

W rzeczywistym tranzystorze przy I_B = 0 I_C > I_B

Pod wpływem działania pola elektrycznego emiter - kolektor (U_CE) prąd bazy (I_B) przy niezmienionym napięciu bazy, będzie malał. Można to wytłumaczyć w ten sposób, że ładunki elektryczne obwodu emiter - baza będą przechwytywane przez silniejsze pole elektryczne obwodu emiter - kolektor.

Charakterystyki wyjściowe tranzystora opisują zależność prądu kolektora od napięcia układu emiter - kolektor. Charakter przebiegu charakterystyk wyjściowych zależny jest od prądu bazy. (rys. 2)

Tranzystor w sposób uproszczony może być określany jako rezystor z regulowaną wartością oporności (znaczenie ma prąd na wejściu).

Tranzystor jednopolowy (unipolarny).

G - bramka

S - źródło

D - dren

Tranzystor polowy składa się z tzw. kanału czyli „kostki” półprzewodnika typu P lub N. Jeżeli do tego półprzewodnika przyłożymy zewnętrzne pole elektryczne to w tym półprzewodniku popłynie prąd. W tranzystorze polarnym wyróżniamy trzy zaciski: źródło, dren i bramka. Jeżeli do tego półprzewodnika (do bieguna S i D przyłożymy zewnętrzne pole elektryczne, to wartość prądu będzie zależna od wartości siły elektromotorycznej i wielkości domieszkowania tego półprzewodnika.

Gdybyśmy półprzewodnik typu P pokryli na ścianach leżących naprzeciwko siebie warstwą półprzewodnika typu N i połączyli te dwie warstwy ze sobą, jednocześnie spolaryzowali układ źródło - bramka w taki sposób, że potencjał dodatni byłby na bramce a ujemny na źródle, wówczas pojawiły by się dwa złącza typu NP. spolaryzowane zaporowo. Polaryzacja zaporowa oznacza brak przewodnictwa (wzrost oporności). Zmieniając napięcie źródło - bramka możemy regulować szerokość warstwy zaporowej, a tym samym szerokość kanału przewodzącego prąd. Zakres regulacji jest taki, że prąd drenu może zmieniać się od wartości maksymalnej (pełne przewodnictwo) do zera (zatkanie).

Tranzystor polowy (FET) w odróżnieniu od bipolarnego (NPN lub PNP) steruje dużymi prądami na zasadzie oddziaływania pola elektrycznego.

W układzie źródło - bramka praktycznie nie ma przepływu prądu.

Oporność wejściowa takiego tranzystora osiąga wartość pojedynczych gigaomów (GΩ). W praktyce te tranzystory sterowane są tylko napięciem.

Charakterystyka częstotliwościowa i pasmo przenoszenia

Pyt. Dlaczego tranzystor może być urządzeniem wzmacniającym ?

Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza prądu stałego (wzmacniacz dolnoprzepustowy - częstotliwość równa 0 lub bardzo mała)

Δf = f_g - f_d

Δf - pasmo przenoszenia

wzmacniacza

f_d - częstotliwość dolna pasma

f_g - częstotliwość górna

k_o - maksymalne wzmocnienie

wzmacniacza

Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza prądu przemiennego (wzmacniacz środkowo przepustowy - a oraz wzmacniacz górnoprzepustowy - b)

Δf = f_g - f_d

a) b)

1) Jeśli częstotliwość rośnie to

oporność w kondensatorze spada.

Jeśli częstotliwość jest mała

=> U₁=U₂ (c- przerwa)

2) X_L = 2ΠfL jeśli f = 0

=> U₁=U₂

Jeśli częstotliwość rośnie to

oporność (R) też rośnie, U₂

maleje i U₂ < U₁

3) Wzmacniacz górnoprzepustowy

Jeśli częstotliwość wynosi zero to

jest przerwa i U₂ = 0

Jeśli częstotliwość rośnie to

opór na kondensatorze

rośnie (zwarcie) i U₂ rośnie.

Sprzężenie zwrotne (ma zastosowanie w automatyce)

U₁ = U_s + U₀ U₀ = U₁ - U_s

Ujemne sprzężenie zwrotne stosowane jest w celu poprawienia własności wzmacniaczy elektronicznych. Sprzężenie pozwala na:

- rozszerzenie pasma przenoszenia;

- stabilizację wzmocnienia, tzn. uniezależnia go od czynników zewnętrznych takich jak wahania temperatury, napięcia zasilającego, starzenia się elementów wzmacniających, co pogarszałoby parametry.

Charakterystyka częstotliwościowa

1. wzmocnienie wzmacniacza przy braku sprzężenia zwrotnego

2. wzmocnienie wzmacniacza z ujemną pętlą sprzężenia zwrotnego

Sprzężenie zwrotne ujemne we wzmacniaczu obniża poziom wzmocnienia, ale z jednakowym wzmocnieniem wzmacnia sygnały w szerokim spektrum częstotliwości.

Po zastosowaniu ujemnego sprzężenia zwrotnego

K_U - wzmocnienie napięciowe (U₂/U₁)

K - wzmocnienie wzmacniacza zwrotnego bez pętli sprzężenia

Zalety:

- zwiększa odporność na czynniki zewnętrzne;

- polepsza parametry.

Wady:

- obniża wzmocnienie

Schemat wzmacniacza z pętlą ujemną

Na tym schemacie można wyróżnić wzmacniacz (górny klocek) i pętlę sprzężenia zwrotnego.

Zapisujemy wzmocnienie wzmacniacza z pętlą sprzężenia zwrotnego

K_u - wzmacniacz bez sprzężenia K'_u - wzmacniacz ze sprzężeniem

Wzmacniacze wielostopniowe

Zastosowanie pętli sprzężenia zwrotnego poprawia parametry jakościowe wzmacniacza, a pogarsza wzmocnienie. Problem ten został zlikwidowany poprzez zastosowanie wzmacniaczy wielostopniowych, wzmocnienie których jest iloczynem wzmocnień poszczególnych wzmacniaczy.

Tranzystor w układzie wzmacniacza

1. układ wspólnego emitera (odwracający fazę)

U_CC = I_C R_C + U_CE

Tranzystor pracujący w układzie wspólnego emitera (jak na rys.) jest wzmacniaczem odwracającym fazę. Spowodowane jest to tym, że ze wzrostem prądu bazy rośnie prąd kolektorowy tego tranzystora, a co za tym idzie rośnie spadek napięcia na rezystorze R_C powodując zmniejszenie się napięcia na układzie emiter - kolektor

2. układ wspólnego kolektora (wtórnik emiterowy)

U_CC = I_C R_E + U_CE

Jeśli rośnie prąd bazy to rośnie prąd EC, rośnie napięcie na wyjściu (i odwrotnie).

W układzie tego wzmacniacza sygnał na wyjściu będzie powtarzał zmiany sygnału wejściowego (synchronicznie). W tym wzmacniaczu rezystor R_E pełni rolę 100-procentowego ujemnego sprzężenia prądowego. Wtórnik emiterowy charakteryzuje się tym, że ma wzmocnienie bliskie jedności i rezystancję wejściową bliską nieskończoności, z czego wynika, że wzmacniacz ten praktycznie nie obciąża źródła sygnału.

Charakterystyka

Wzmacniacze różnicowe

Wzmacniacz różnicowy charakteryzuje się tym, że minimalizuje wpływ dryftu (powolnych zmian) napięcia wyjściowego wywołanego zmianami temperatury jak i również niestabilnością napięcia zasilającego U_cc.

Wzmacniacz różnicowy ma dwa wejścia natomiast sygnał wyjściowy jest zależny od wartości różnicy napięć wejściowych. Jeżeli na wejściach (1 i 2) będą takie same sygnały (napięcia) to na wyjściu pojawi się wartość napięcia równa zero. W tranzystorach różnicowych wystarczy zmiana napięcia tylko na jednym wejściu, która wywoła zmianę rozpływu prądu w tranzystorze T₁, w wyniku której prąd płynący przez rezystor R_E również ulegnie zmianie. Zmaina tego prądu spowoduje zmianę polaryzacji złącza emiter - baza tranzystora T₂, gdzie również nastąpi zmiana rozpływu prądu

U_wyj = k_r (e₁ - e₂)

k_r - współczynnik wzmocnienia sygnału różnicowego

Wzmacniacze różnicowe charakteryzują się tym, że przy napięciach poniżej 1 mV uzyskujemy sygnał wyjściowy na poziomie 10V. W większości przypadków wzmacniacze te zasilane są napięciem ± 15V.

Wzmacniacz scalony

Wzmacniacz scalony to taki wzmacniacz wielostopniowy o bardzo dużym wzmocnieniu, gdzie stopniem wejściowym zwykle jest wzmacniacz różnicowy. Wzmacniacze operacyjne charakteryzują się tym, że ich wzmocnienie mieści się w przedziale 10⁵ ÷ 10⁷, tzn., że dla uzyskania napięcia wyjściowego np. 10V wystarczy sygnał wejściowy w przedziale 0,0001 ÷ 0,001 V. Wzmacniacze operacyjne (scalone) przeznaczone są do pracy w zakresie charakterystyki liniowej wzmocnienia.

We wzmacniaczach scalonych wyróżniamy dwa wejścia: jedno odwracające fazę i drugie nieodwracające fazy. Jeżeli wejdziemy sygnałem na wejście odwracające fazę, to na wyjściu otrzymamy sygnał odwrócony o 180° (o przeciwnej fazie). Różnica wzmacnianego sygnału ε jest bardzo mała natomiast oporność wejściowa jest bardzo duża, tzn. że prąd płynący przez wzmacniacz jest pomijalnie mały w stosunku do prądu płynącego poza wzmacniaczem.

Gdybyśmy dla tego typu wzmacniacza (odwracającego fazę) dobrali wartości rezystancji takie, że R1 = R2, to wówczas wzmacniacz miałby wzmocnienie -1. Taki wzmacniacz wykorzystywany jest w układach elektroniki jako inwertor fazowy (odwracający fazę

Wtórnik emiterowy

Wtórniki w układach pomiarowych pełnią rolę przeniesienia potencjału układu pomiarowego do obwodów pomiarowych (np. do mostka) bez obciążenia tego układu. Wtórnik napięciowy tego typu posiada bardzo dużą oporność wejściową

Dioda półprzewodnikowa to dwukońcówkowy element półprzewodnikowy. Zbudowana jest z dwóch warstw półprzewodnika, odmiennie domieszkowanych - typu n i typu p, tworzących razem złącze p-n, lub z połączenia półprzewodnika z odpowiednim metalem - dioda Schottky'ego. Końcówka dołączona do obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p - anodą. Element ten charakteryzuje się jednokierunkowym przepływem prądu - od anody do katody, w drugą stronę prąd nie płynie (zawór elektryczny).

---