Elektronika (konspekt)

Franciszek Gołek ([e-mail])

www.pe.ifd.uni.wroc.pl

Wykład 05 i 06

Obwody rezonansowe, transformatory, oscyloskop, układy

diodowe.

Dobroć Q

(Q-factor, quality factor) jest miarą ostrości krzywych

rezonansowych. Dla pasmowego filtra z obwodem rezonansowym (jak
na rysunku obok) jest zdefiniowany jako:

Q =

ω

rez

/

∆ω

3dB

= f

rez

/

∆

f

3dB

.

Q można wyrazić za pomocą wartości elementów filtra RLC.
Np. gdy U

WY

= U

R

to k

u

= |U

R

/U

RLC

| i k

umax

= 1 k

u

/k

umax

=

Zatem

Q =

ω

rez

L/R.

Dodajmy, że w elektronice poza dobrocią

układów rezonansowych mówi się o dobroci innych układów czy
elementów. Przykładowo dobroć cewki zdefiniowana jest jako stosunek:

ω

L/R (gdzie L-indukcyjność cewki, R oporność cewki).

Traktując kondensator jako równoległe połączenie idealnej pojemności i
rezystancji R (reprezentującej straty dielektryczne) definiujemy dobroć
kondensatora jako stosunek prądów I

C

/I

R

= (U/X

C

)/(U/R)=R/X

C

=

ω

CR.

Wynika z tego, że układy o dużej dobroci to takie, które „marnotrawią”
mało energii na straty w rezystancjach przewodów cewki i rezystora R.

Transformator

Transformator to dwa, magnetycznie ze sobą sprzężone, uzwojenia
pozwalające na zmianę wartości napięcia (i prądu) zmiennego przy
niezmienionej (w przybliżeniu) mocy. Działanie transformatora opiera się na
prawie Faradaya:

gdzie z – liczba zwoi,Φ – strumień magnetyczny w rdzeniu transformatora e –
siła elektromotoryczna. Widać, że do wytworzenia siły elektromotorycznej
potrzebny jest zmienny strumień magnetyczny (niezerowa pochodna po
czasie). Zatem transformator nie jest urządzeniem na prąd stały!
Transformator został odkryty przez Faradaya w 1831r.,a następnie przez
Williama Stanleya 1885 r. i zastosowany w instalacji oświetleniowej
w Ameryce (w Massachusetts transformator podnosił napięcie z 500V na
3000V na początku linii o długości 1219 m a na jej końcu inny transformator
obniżał je z powrotem do 500V).

Transformator

Transformator oprócz dwóch (co najmniej) uzwojeń zwykle zawiera rdzeń
prowadzący strumień magnetyczny. Rdzeń nie może być jednolitym
przewodnikiem gdyż w czasie pracy pojawiałyby się duże prądy wirowe
przynoszące duże straty energii. W praktyce, aby zapobiec znacznym stratom
mocy rdzenie zbudowane są z wielu ściśniętych ale odizolowanych
elektrycznie od ciebie blach (warstw materiału o dużym

µ

) lub materiałów o

dużej rezystywności (oporze właściwym).
Stratę mocy związaną z prądami wirowymi i przypadającą na jednostkę
objętości można obliczyć ze wzoru:

w którym: B

m

– amplituda indukcji magnetycznej, d – grubość blachy; f

częstotliwość;

ρ

– rezystywność materiału ferromagnetycznego. Widać, że

straty mocy od prądów wirowych są proporcjonalne do kwadratu iloczynu
indukcji magnetycznej, częstotliwości i grubości blachy oraz odwrotnie
proporcjonalne do rezystywności. Przy zadanej częstotliwości i indukcji
magnetycznej obniżenie strat od prądów wirowych można zatem uzyskać
przez zastosowanie bardzo cienkich blach izolowanych papierem lub lakierem,
albo stosując materiał ferromagnetycznego o dużej rezystywności.

Transformator

Ważną przy wielu zastosowaniach transformatorów jest możliwość tzw.
dopasowywania impedancji źródła i obciążenia. Bezpośrednie połączenie
obciążenia do zacisków źródła napięcia oznacza, że maksymalny przekaz
mocy ma miejsce przy impedancji obciążenia równej impedancji źródła.
Gdy jednak zastosujemy trafo o przekładni na przykład obniżającej napięcie P-
krotnie P = N

2

/N

1

< 1 to napięcie na zaciskach uzwojenia wtórnego (tam gdzie

podłączamy odbiornik mocy) będzie P-krotnie mniejsze a prąd P-krotnie
większy przy maksymalnym przekazie mocy. Oznacza to, że impedancja
odbiornika dopasowywana do impedancji wewnętrznej źródła powinna spełniać
relację Z

odbiornika

/Z

źródła

= P

2

.

Dzięki trafo impedancja odbiornika
nie musi być równa impedancji źródła!

Transformator

Dzięki N. Tesli już pod koniec XIX wieku zaczęto stosować transformatory w
elektrotechnice i energetyce. Tesla pod koniec XIX wieku wygrał spór z
Edisonem o to czy w sieci energetycznej powinien być prąd stały czy zmienny.
Pamiętajmy, że ekonomiczne przesyłanie mocy U•I na
znaczne odległości ma miejsce wtedy gdy U jest duże a I
małe (małe straty bo małe grzanie kabli). Napięcie jest
za pomocą transformatorów podwyższane w miejscu
wytworzenia energii elektrycznej a na końcach
wysokonapięciowych linii przesyłowych u odbiorców energii
napięcie jest obniżane do odpowiednich bardziej
bezpiecznych wartości. Tesla wymyślił wirujące pola
magnetyczne dla silników dużej mocy i stworzył podstawy
trójfazowej energetyki.

Transformatory
w elektronice

spotykamy głównie jako transformatory sieciowe w zasilaczach.
Transformator pozwala na odizolowanie galwaniczne dwóch obwodów
pozostawiając bardzo dobrą wymianę energii między nimi.
Dla bezpieczeństwa często na stanowisku pracy stosowane są tzw.
transformatory separujące. W lutownicach transformatory obniżające
napięcie (np. do 24 V) obniżają ryzyko uszkodzenia delikatnych układów
scalonych podczas montażu. Stosunek ilości zwoi uzwojenia wtórnego i
pierwotnego, zwany przekładnią (przełożeniem) określony jest przez: N

2

/N

1

=U

2

/

U

1

=I

1

/I

2

(U

1

I

1

≈

U

2

I

2

). Przekrój rdzenia jest wprost proporcjonalny do pierwiastka

z przekazywanej mocy S = c

√

P [cm

2

] (gdzie: P przekazywana moc w watach, c

≈

1,2; ). Wadami są: histereza rdzenia, straty energii w rdzeniu (prądy wirowe),

tzw. nasycenie rdzenia i możliwość przebicia między zwojami.
Parametry: przełożenie, moc, zakres częstotliwości, waga i rozmiary.

Autotransformator

pozwala regulować wartość napięcia

zmiennego przez zastosowanie jednego wspólnego uzwojenia
z przemieszczalnym odczepem. Autotransformatory stosowane są
do płynnej regulacji napięcia wtórnego.
Autotransformator nie realizuje izolacji galwanicznej!

Oscyloskopy.

Rozpoczynając omawianie obwodów z prądami zmiennymi

wskazanym jest poznać zasadę działania oscyloskopu – przyrządu do wizualizacji

napięć elektrycznych.
Oscyloskopy to najbardziej rozpowszechnione przyrządy przeznaczone do

obrazowania sygnałów elektrycznych. Wyróżnia się oscyloskopy analogowe oraz

cyfrowe (są też oscyloskopy analogowo-cyfrowe i analizatory sygnałowe).

Oscyloskopy służą do obserwacji i rejestracji sygnałów elektrycznych, nawet kilku

jednocześnie. Wykorzystywany jest do badania przebiegów rozmaitych wielkości

fizycznych (po ich zamianie na sygnał elektryczny) w wielu laboratoriach badawczych.

Z powodu swych zalet są często stosowane do uruchomiania i diagnozowania nawet

bardzo skomplikowanych układów elektrycznych i elektronicznych. W oscyloskopie

wyróżniamy cztery podstawowe systemy: system wyświetlania, odchylania w pionie,

podstawa czasu i system synchronizacji. Zakończeniem systemu wyświetlania jest

ekran lub lampa oscyloskopowa, na której ekranie wyświetlany jest obraz badanych

wielkości fizycznych. Schemat blokowy prostego (jednokanałowego) oscyloskopu

analogowego wraz ze szkicem lampy oscyloskopowej zamieszczono na rysunku

poniżej (następna strona). Dla uzyskania świecenia luminoforu w lampie

oscyloskopowej konieczne jest wytworzenie wiązki elektronowej, w której energie

kinetyczne elektronów wynoszą kilka do 20 keV. Oznacza to, że w oscyloskopach

starszego typu (z lampą oscyloskopową) wytwarzane są napięcia do około 20 kV!
Najważniejsze parametry: Rozmiary ekranu, Pasmo częstotliwości, Liczba kanałów,
Czas narastania, Rozdzielczość, Czułość, Maksymalne napięcie wejściowe. W

oscyloskopach cyfrowych – głębokość pamięci i szybkość próbkowania,

Analogowy oscyloskop 2-kanałowy.

Badany sygnał jest po wzmocnieniu
kierowany bezpośrednio do odchylania
wiązki elektronowej przemieszczającej się po luminoforze

ekranu co powoduje kreślenie świecącej linii obrazującej

przebieg sygnału. Mamy tu bezpośrednie obrazowanie

sygnału.
Cyfrowy oscyloskop 2-kanałowy.
Oscyloskop cyfrowy próbkuje sygnał elektryczny, dokonuje

konwersji wartości analogowych na cyfrowe przy pomocy

przetwornika analogowo-cyfrowego ADC, a następnie

zapamiętane cyfrowe wartości wykorzystuje do obrazowania

zbadanego sygnału. W oscyloskopach
cyfrowych stosowane są ekrany płaskie
np. ciekłokrystalicznym – LCD.

Uproszczone przedstawienie napić doprowadzonych do płytek

odchylających lampy oscyloskopowej (Y w pionie i X w poziomie) oraz

uzyskany obraz.

Uproszczony schemat oscyloskopu

Badany sygnał poprzez tłumik o regulowanym tłumieniu dociera do
wzmacniacza odchylania pionowego Y, na wyjściu którego uzyskuje się
wzmocniony (i ewentualnie uzupełniony o kompensacje składowej
stałej) przebieg napięcia sterujący odchyleniem wiązki elektronowej
poprzez płytki Y. Dla dokonania pomiaru wielkości napięcia należy
pamiętać, że opis przełącznika skokowego (np. 1V/działkę,
10mV/działkę czyli 1V/cm, 10mV/cm itd.) jest aktualny tylko przy
skręceniu regulacji ciągłej w pozycję “kalibr” tj. pozycję kalibracji. Na
powierzchni ekranu oscyloskopu znajduje się podziałka w postaci kratek
i kresek. Tu jedna działka = 1 cm a nie 2 mm! Opisy przełączników przy
gniazdach wejściowych: AC – oznacza, że wejście przyjmuje tylko
sygnał zmienny (sprzężenie pojemnościowe), DC – oznacza, że wejście
przyjmuje również składową stałą, GND – oznacza, że sygnał jest
odłączony a wejście jest zwarte do masy. Aby obraz na ekranie lampy
był stabilny tj. aby wiązka elektronowa periodycznie powtarzała ten sam
rysunek konieczna jest synchronizacji odchylania poziomego (podstawy
czasu) z badanym sygnałem.

Zatem część sygnału badanego kierowana jest do układu wyzwalania,
który steruje generatorem podstawy czasu i modulacją jaskrawości (tj.
intensywności wiązki elektronowej docierającej do luminoforu).
Pokrętłem

poziom

(ang. level lub trigger level) wybieramy wartość

napięcia sygnału, przy którym następuje wyzwalanie tj. rozpoczynanie
piło-zębnych impulsów dla płytek odchylania poziomego i impulsów
prostokątnych podawanych na cylinder Wehnelta (elektroda z otworem
otaczająca katodę) dla wypuszczania wiązki elektronowej. W przypadku
oscyloskopu wielokanałowego należy odpowiednim przełącznikiem
wybrać kanał, z którego pobierany jest sygnał synchronizujący (należy
wybrać sygnał najmocniejszy). W przypadku gdy mają być oglądane
sygnały bardzo słabe na wszystkich kanałach dobrą synchronizację
uzyskamy gdy odpowiedni sygnał podamy na wejście wyzwalania
zewnętrznego. Wejście wyzwalania zewnętrznego jest przydatne w
badaniach układów cyfrowych i przy obserwacji nieperiodycznych
sygnałów.

Podstawa czasu

może być wyzwalana narastającym zboczem (znak

+) lub opadającym zboczem sygnału (znak - ). W śród rodzajów
wyzwalania można wymienić: a) normalne, b) automatyczne, c)
sygnałem telewizyjnym, d) jednorazowe. Szybkość ruchu plamki w
kierunku osi X można zmieniać w szerokim zakresie. Należy pamiętać,
że opis przełącznika skokowego (np. 1s/cm czy 10ns/cm itd.) jest
obowiązujący tylko przy ustawieniu pokrętła regulacji ciągłej w pozycję
kalibr. W oscyloskopach wielokanałowych (zwykle dwu-kanałowych
lub czterokanałowych) zastosowane są przełączniki elektroniczne
przełączające sygnały z kilu wzmacniaczy wejściowych na jeden
wspólny tor sterujący lampą oscyloskopową. Przełączniki te mogą mieć
dwa rodzaje pracy: a) praca przemienna (alternating) – przełączenie
odbywa się podczas ruchu powrotnego plamki; b) praca siekana
(chopped) – przełączenie odbywa się wielokrotnie podczas każdego
kreślenia plamką od lewego do prawego brzegu ekranu. Dla ochrony
przed uszkodzeniami należy unikać podawania napięć większych niż
kilkadziesiąt V na wejścia oscyloskopu a kabel sieciowy włączać tylko
do gniazda z dobrym (tj. sprawnym) uziemieniem

.

Brak obrazu badanego przebiegu lub plamki na ekranie
oscyloskopu może mieć następujące przyczyny: a) pokrętłem
przesuwu X lub Y przesunięto obraz poza obszar ekranu; b) przy
stałonapięciowym sprzężeniu podano na wejście Y (lub X) sygnał
o zbyt dużej wartości składowej stałej; c) podstawa czasu nie jest
wyzwalana; d) pokrętło jaskrawości skręcono do minimum.
W nowocześniejszych oscyloskopach cyfrowych instalowane są
liczne udogodnienia np. a) na ekranie pojawiają się napisy
informujące o aktualnych zakresach podstawy czasu, czułości itp.;
b) kursory (zwykle dwie pionowe i dwie poziome linie) ułatwiają
wyznaczenie czasu trwania wybranego fragmentu badanego
przebiegu, jego częstotliwości, fazy oraz zmiany napięcia; c)
stosowane są tzw.
ekrany dotykowe, u których wybór funkcji oscyloskopu
dokonuje się przez dotyk palcem odpowiednio opisanego miejsca
na ekranie.

Oscyloskop
cyfrowy

Dzięki szybkim przetwornikom analogowo-cyfrowym budowane są oscyloskopy
cyfrowe o częstotliwościach pobierania próbek ponad 1GHz
i paśmie przenoszenia ponad 10 GHz. Działanie takich oscyloskopów polega na
pobraniu n (np. 10

6

) próbek i zapisaniu ich w pamięci. Pracę układu kontroluje układ

mikroprocesorowy pozwalający na wielostronną analizę badanych sygnałów.
Oscyloskopy cyfrowe budowane są również jako karty komputerowe a także jako
kieszonkowe (wielkości kalkulatora z ekranem ciekłokrystalicznym) do celów
diagnostycznych w warunkach terenowych. Często oscyloskopy konstruowane są jako
oscyloskopy analogowo-cyfrowe. Zamiast lampy oscyloskopowej mogą być stosowane
kineskopy monochromatyczne lub kolorowe. W oscyloskopach tych dzięki cyfrowym
podstawom czasu (zliczanie impulsów zegara kwarcowego) możliwe są bardzo
precyzyjne pomiary relacji czasowych badanych sygnałów. Precyzja pomiaru wielkości
napięć zależy od długości słowa przetwornika A/D, które często są 8-bitowe i dające
dokładność 1/2

8

tj. 1/256 zakresu.

W oscyloskopach cyfrowych oprócz obserwacji sygnału na bieżąco

można oglądać sygnał zamrożony w pamięci nieprzetworzony lub

przetworzony układem mikroprocesorowym w dowolnie pożądany

sposób (wygładzony, uśredniony z wielu sekwencji, w postaci diagramu

zawartości harmonicznych, zróżniczkowany itd.). W oscyloskopie

cyfrowym zbieranie danych może zachodzić niezależnie od chwili

wyzwalania i przebieg może być zapamiętany w dowolnej (regulowanej)

relacji czasowej do impulsu wyzwalania. Zwykle tzw. rekord rejestracji

(tj. n zamrożonych w pamięci próbek) jest wielokrotnie dłuższy od

rekordu obrazowania na ekranie. Pozwala to swobodnie obrazować

dowolne fragmenty i szczegóły raz zarejestrowanego przebiegu.

Oscyloskopy cyfrowe dysponują wieloma funkcjami, których brak w

oscyloskopach analogowych. Np. czuwanie (baby-sitting) oscyloskopu

tak długo, jak długo nie pojawi się impuls wyzwalający, który

spowoduje zamrożenie w pamięci tylko interesującej części ciągle

próbkowanego sygnału z wyprzedzeniem czasowym takim jakie zostało

z góry ustalone. Należy zaznaczyć, iż wyprzedzenia czasowe

ograniczone jest głębokością pamięci natomiast opóźnienie czasowe

może być dowolne.

Elementy półprzewodnikowe

Początkowo podstawowym materiałem w technologii
półprzewodnikowej był german między innymi ze względu na
niską temperaturę topnienia (990°C). Szybko jednak okazało się,
że na podłożu krzemowym (T. topnienia krzemu: 1410°C) można
uformować stabilny tlenek (SiO

2

) a na germanie nie. Ponadto

napięcie przebicia dla tlenku krzemy jest wyższe niż dla tlenku
germanu. Poczynając od lat 1960-tych krzem dominuje w
technologii elementów elektronicznych. Warto porównać
przewodności metalu np. miedzi: 0.59

⋅

10

6

S/cm; izolatora np.

szkła: 10

-16

- 10

-13

S/cm oraz półprzewodnika np. krzemu: 10

-8

do

10

-1

S/cm.

Atomy krzemu i germanu tworzą (poprzez hybrydyzację SP3)

sieci krystaliczne typu diamentu.

W metalu obecność dużej ilości elektronów w paśmie przewodnictwa (czyli w energetycznym
paśmie elektronów prawie swobodnych) powoduje, że mogą one stanowić znaczny prąd pod
wpływem znikomego pola elektrycznego. Te elektrony będąc swobodnymi mogą być przyspieszane
polem elektrycznym. W półprzewodnikach należy uwzględnić wiązania kowalencyjne, które
ograniczają przemieszczanie się elektronów, dopiero energia rzędu 1 eV w postaci kwantu światła
lub termicznych wibracji atomów może oswobodzić elektron (przenieść go z pasma walencyjnego
do pasma przewodnictwa). Przykładowo w temperaturze pokojowej w nie domieszkowanym
krzemie znajduje się (w termicznej równowadze) n

e

= 1.5 × 10

16

elektronów/m

3

i tyle samo dziur.

Okazuje się, że prąd mogą stanowić (być przyspieszane) oprócz elektronów w paśmie
przewodnictwa również „dziury” po elektronach w paśmie walencyjnym. Dzieje się tak dlatego, że
pole elektryczne wpływa na to, który elektron z otoczenia dziury ma największą szansę do niej
przeskoczyć. Przeskok elektronu walencyjnego do dziury oznacza przemieszczenie się dziury,
której ładunek elektryczny jest dodatni - jak wiemy dziura to brak elektronu neutralizującego.
Ponieważ ilość elektronów i dziur zależy od temperatury toteż wiele własności półprzewodników
zależy od temperatury. W praktyce stosowane są półprzewodniki domieszkowane w taki sposób
aby mieć albo nadmiar dziur (są to półprzewodniki tupu p) albo nadmiar elektronów (półprzewodniki
typu n). Domieszki dające typ n półprzewodnika nazywane są donorami (pierwiastki 5-wartościowe)
gdyż dodają elektrony do pasma przewodnictwa, natomiast domieszki dające typ p nazywane są
akceptorami (pierwiastki 3-wartościowe) gdyż pobierają elektrony z pasma walencyjnego generując
dziury. Choć oddzielny kawałek półprzewodnika ma mało interesujące własności i zastosowania to
już odpowiednio dobrze połączone dwie warstwy półprzewodnika jedna typu p a druga typu n dają
coś co jest szeroko stosowane w układach elektronicznych – „złącze pn”. Najprostrzym i szeroko
stosowanym elementem zawierającym takie złącze jest dioda prostownicza. Historycznie to to roku
1874 niemiecki fizyk Ferdynand Braun odkrył, że w pewnych warunkach obwody z kryształem nie
spełniają prawa Ohma, mogą przewodzić tylko w jednym kierunku – efekt prostowania.

Diody i złącza p-n.

Prostym i często spotykanym

półprzewodnikowym a przy tym nieliniowym (nie omowym)

elementem jest dioda czyli pojedyncze złącze p-n. W równowadze

złącze p-n zawiera dyfuzyjną barierę potencjału a znikomy prąd

pokonywania bariery przez nośniki większościowe jest

równoważony znikomym prądem utworzonym przez nośniki

mniejszościowe (nośniki mniejszościowe tworzą prąd zgodny z

polem elektrycznym w barierze). Poziom Fermiego (tak jak

potencjał chemiczny) jest wyrównany w całej objętości układu p-n

dopóki nie przyłożymy zewnętrznego napięcia wymuszającego

prąd i pewne pochylenia poziomu Fermiego. Zależność prądu w

diodzie od napięcia przyłożonego na zaciski diody

(wymuszającego pochylenie poziomu Fermiego, zmianę

wysokości bariery i zmianę szerokości obszaru przejściowego)

ma przybliżaną postać:

gdzie: m parametr korekcyjny
(1 do 2), U

T

= k

B

T/q = 0.0255V

Linia przerywana
ilustruje złącze omowe
(kontakt omowy)

Złącza p-n

.

Jest to prawie bezdefektowe połączenie dwóch półprzewodników z domieszkami

(czyli półprzewodników niesamoistnych) o dwu różnych typach przewodnictwa elektrycznego p i n.

Półprzewodnik niedomieszkowany (samoistny) kiepsko przewodzi prąd elektryczny w temperaturze

pokojowej. Złe przewodnictwo wynika z faktu, że w takich materiałach elektrony walencyjne

(najsłabiej związane) są „unieruchomione” wiązaniami kowalencyjnymi a minimalna porcja energii

konieczna do uczynienia jednego elektronu swobodnym wynosi około 1eV. Taka wartość energii

określana jest jako przerwa energetyczna między pasmem walencyjnym (przedziałem na skali

energii potencjalnej zajmowanym przez elektrony w wiązaniach międzyatomowych) a pasmem

przewodnictwa (przedziałem na skali energii potencjalnej zajmowanym przez elektrony

oswobodzone i mogące przemieszczać się po objętości materiału – przewodzić prąd elektryczny).

Przypomnijmy, że energia średnia „drgań” termicznych w temperaturze pokojowej 300K wynosi

zaledwie E

300K

= stała Boltzmana

×

T = k

×

300K=0,026eV i jest zbyt mała aby oswobadzać liczącą

się ilość elektronów w jednostce czasu.
Domieszkowanie półprzewodnika silnie poprawia jego przewodnictwo elektryczne. Przykładowo

domieszkując 4-wartościowy krzem atomem pięciowrtościowym (donorem) tworzymy sytuację, w

której cztery elektrony domieszki biorą udział w wiązaniach kowalencyjnych a piąty jako słabo

związany (około 0,1eV) jest przez drgania termiczne oswobodzony („wrzucony” do pasma

przewodnictwa). Półprzewodnik, który zawiera znaczną ilość donorów nazywa się

półprzewodnikiem typu n, jego poziom Fermiego umiejscowiony jest blisko pasma przewodnictwa.

Poziom Fermiego to taki poziom energetyczny, dla którego prawdopodobieństwo

obsadzenia przez elektron wynosi ½.

Podobną poprawę przewodnictwa uzyskamy, gdy zamiast atomu krzemu wstawimy atom

trójwartościowy (akceptor). Powstanie wtedy jedno wolne miejsce w wiązaniach kowalencyjnych –

dziura, która jako puste miejsce po elektronie w paśmie walencyjnym może się przemieszczać.

Półprzewodnik, który zawiera znaczną ilość akceptorów nazywa się półprzewodnikiem typu p, jego

poziom Fermiego umiejscowiony jest blisko pasma walencyjnego.
Zauważmy, że donor po utracie piątego elektronu jest niemobilnym jonem dodatnim a akceptor

po przyłączeniu czwartego elektronu i „wypuszczeniu” dziury jest niemobilnym jonem ujemnym.
Wynalazcą fotodetektora i pierwszego użytecznego złącza p-n w 1940r. był Russel Shoemaker Ohl.

Złącza p-n

Podobnie jak w połączonych naczyniach z wodą wyrównuje się

poziom lustra wody tak w połączonych galwanicznie materiałach zawierających

mobilne nośniki ładunku (elektrony i dziury) następuje wyrównanie poziomu

Fermiego E

F

. Przemieszczenie ładunków pociąga za sobą wytworzenie skoku

potencjału elektrycznego w pewnym wąskim obszarze samego złącza pn. W

tym obszarze poziom Fermiego jest oddalony od pasm dozwolonych i mamy tu

niemobilne jony i brak mobilnych nośników ładunku, a zatem obszar złego

przewodnictwa elektrycznego!
Sytuację można
zmieniać przez
przyłożenie
zewnętrznej siły
elektromotorycznej,
która wymusi
pochylenie poziomu
Fermiego, a przez
to zmieni szerokość
obszaru złego
przewodzenia.

Diody

–

Diody działają jak „jednokierunkowe zawory” zezwalające na

przepływ prądu tylko w jednym kierunku (od anody do katody).

Diody krzemowe

Napięcie otwarcia (początek dobrego przewodzenia)
diody krzemowej w temperaturze pokojowej wynosi
około 0,65 V (diody mocy mają napięcie progowe około 1 V). Ze względu na

małą szybkość przełączania głównym obszarem zastosowania diod

krzemowych są prostowniki w zasilaczach urządzeń elektronicznych. Do

prostowania (przewodzenia tylko w jednym kierunku) dużych napięć stosowane

są diody wysokonapięciowe, które w istocie stanowią szeregowe połączenie

określonej liczby diod (złączy pn).
W jednej obudowie. Napięcie otwarcia takiej kaskady diod jest wielokrotnie

większe od 0,65 V (tyle razy większe od 0,65 V ile diod znajduje się w

kaskadzie).

Ponieważ napięcie otwarcia diody zależy od jej temperatury, diody mogą być

stosowane do pomiaru temperatury. Dla diod krzemowych

∆

V = -2(mV/K)

×

∆

T(K) co sprawia, że diody te stosowane są jako termometry w laboratoriach

kriogenicznych pracujące w zakresie temperatur 1,8 – 400 K.
Diody germanowe nie wyszły z użycia ze względu na niski spadek napięcia –

0,3 V przy otwarciu (tj. przy polaryzacji w kierunku przewodzenia).

Dioda ogólnego zastosowania i dioda

prostownicza

powinny mieć duże graniczne napięcie zaporowe (wsteczne).

Diody Schottky’ego

(złącze metal-półprzewodnik)

wyróżnia mały czas przełączania, rzędu 100 ps. Napięcie

otwarcia około 0,3 V.

Diody Zenera

(stabilistor), polaryzowane zaporowo,

stosowane są do stabilizowania napięcia i polaryzowane

zaporowo. Napięcia stabilizacji mogą wynosić od 2 do 200 V.
Napięcie otwarcia

≈

0,6V.

Dioda pojemnościowa

(warikap, waraktor) wykazuje

znaczną zmianę pojemności złącza. Pojemność maleje od

kilkuset pF do kilku pF ze wzrostem napięcia wstecznego.

Diody świecące

(LED) mając silnie domieszkowane złącza

pn świecą gdy są spolaryzowane (zasilane) w kierunku

przewodzenia.
Z opornikiem zabezpieczającym są uniwersalnymi detektorami

napięć.

Można jeszcze wymienić diody:
Dioda zabezpieczająca

jest w zasadzie diodą Zenera, która potrafi tłumić

krótkotrwałe impulsy napięciowe. Są bardzo szybkie i wytrzymują wysokie
prądy chwilowe. Stosowane są jako zabezpieczenia przed zakłóceniami.

Dioda lawinowa

jest diodą, która nie ulega zniszczeniu przy przekroczeniu

zadanego napięcia wstecznego. Nadmiar napięcia jest na niej neutralizowany.
Dioda lawinowa jest przydatna jako element zabezpieczający od przepięć.

Dioda o krótkim czasie wyłączania

(około 1 do 100 ns) jest

stosowana w układach przełączających.

Diody PIN

mają wbudowaną dodatkową warstwę między obszarami P i N.

Diody PIN są używane w układach wysokich częstotliwości. Mają małą
rezystancję w kierunku przewodzenia i małą pojemność przy polaryzacji w
kierunku zaporowym. Wykazują pewną bezwładność przy przełączaniu.

Diody PIN lub p-i-n jako fotodiody

z dodatkową wewnętrzną warstwą

(intrinsic layer, P-Intrinsic-N) między obszarami P i N obok zwiększonej
szybkości działania mają zwiększoną fotoczułą objętość a przez to większą
wydajność.

Dioda Ładunkowa

jest typem diody, która podobnie jak diody PIN ma trzy

warstwy ale zmiana rezystancji odbywa się gwałtownie. Stosowana jest w
powielaczach częstotliwości.

Diody ograniczające prąd

lub diody regulujące prąd, są to dwu-

zaciskowe wersje tranzystorów polowych (typu JFET).

Diody IMPATT

są diodami wielowarstwowymi dużej mocy przeznaczonymi

do generowania sygnałów względnie dużej mocy w zakresie 3 do 100 gHz.

Diody tunelowe (diody ESAKI’ego).

Są to diody o bardzo dużym

domieszkowaniu obu stron P i N. Wykorzystują kwantowy efekt tunelowania
rezonansowego, co w pewnym zakresie napięć (w kierunku przewodzenia)
prowadzi do ujemnej oporności dynamicznej.

Diody Gunn’a.

Składają się z trzech warstw półprzewodnika tylko jednego

typu N o różnym stopniu domieszkowania. Warstwa środkowa o słabym
domieszkowaniu znajduje się między dwoma silnie domieszkowanymi
warstwami. W diodach Gunn’a również uzyskujemy obszar napięcia o ujemnej
rezystancji dynamicznej gdzie ze wzrostem napięcia maleje prąd.

Diody Shockley’a

. Są to diody czterowarstwowe PNPN zwane

dynistorami. Przewodzą po przekroczeniu pewnego znacznego napięcia
otwarcia, a przestają przewodzić dopiero po znacznym jego obniżeniu, niemal
do zera.

Fotoogniwa

są rodzajem diod o dużej powierzchni i wykorzystują zjawisko

fotoelektryczne w obszarze złącza PN. Stosowane są do budowy baterii
słonecznych.

Diody świecące LED
Spolaryzowane w kierunku
przewodzenia generują światło,
jako wynik rekombinacji
elektronów i dziur w złączu pn. Barwa zależy
od materiału (podczerwień - GaAs, światło
widzialne – GaP). Są to np. wskaźniki,
wyświetlacze, nadajniki w transoptorach.

A.A. Bergh, phys. stat. Sol.(a) 201 (2004) 2740.

Fotodioda. Przy braku polaryzacji może stanowić baterię słoneczną. W
zaporowo spolaryzowanych fotodiodach natężenie prądu zaporowego zmienia
się wraz ze zmianami oświetlenia złącza (bo zmienia się oporność złącza).
Fotodiody są stosowane do detekcji światła (bywają szybsze od
fotopowielaczy).

Dioda Laserowa (LD). Diody z akcją laserową zapewniają widmo o wąskim
przedziale długości fali. Osiągane są wydajności 50% i moce około 10

2

W (fali

ciągłej). Częstotliwość modulacji sygnału poprzez modulację prądu sięga
wartości do kilku GHz. Olbrzymie zastosowanie (

telekomunikacja-układy

światłowodowe, medycyna, CD-ROM, DVD, HD, TV, drukarki itp

.)

A.A. Bergh, phys. stat. Sol.

(a) 201 (2004) 2740.

Układy do odczytu dysków CD CD-ROM i DVD zapewniają dużą odporność na
uszkodzenia powierzchni dysków. „Czytająca” wiązka światła jest ogniskowana
około1mm pod powierzchnią dysku do plamki o średnicy porównywalnej z
długością fali używanego światła. Na samej powierzchni wiązka jest jeszcze
szeroka i obejmuje okrąg o średnicy około 0,8mm. Popularne prędkości
napędów CD: od 1x0,15 MB/s do 52x0,15MB/s = 7,62MB/s, oraz DVD: od
1x1,32MB/s do 52x1,32MB/s = 68,55MB/s.

(www.cdrinfo.pl/cdr/artykuly/plyty/docs/plyty.php3).

Informacja na CD jest magazynowana na spiralnej ścieżce idącej od środka
(na średnicy około 50 mm z 4 mm rozbiegiem) dysku do jego brzegu.
Odległość między ścieżkami wynosi 1,6

µ

m. Wgłębienie na ścieżce (o

wymiarach 0,5

µ

m szerokości i około 100 nm głębokości) oznaczają cyfrowe

„1” a brak wgłębienia „0”. Powierzchnia niosąca informację jest pokryta
aluminium dla uzyskania dobrego odbicia promienia światła a ta warstwą
ochronną i etykietą. Wiązka odbitego światła jest rozszerzana na strukturze
wgłębienie/wzniesienie i to poszerzanie wiązki jest „czytane” przez układ
optyczny.

Rysunek przedstawia przykładowy (są też inne) układ do odczytu dysków CD.
Światło z lasera półprzewodnikowego biegnie przez siatkę S, polaryzator,
ćwierćfalówkę, odbija się od warstwy kodu w dysku i ponownie biegnie przez
ćwiećfalówkę. Dwukrotne przejście przez ćwierćfalówkę zmienia polaryzację
światła o 90º, dzięki czemu zostaje ono skierowane do detektora w płytce
polaryzująco-rozdzielającej. Detektor rejestruje jeden z dwóch poziomów 0, 1.
Siatka S służy do uzyskania dwóch dodatkowych, bocznych wiązek. Dzięki nim
detektor i układ ujemnego sprzężenia zwrotnego zapewniają utrzymanie się
wiązki centralnej na czytanej ścieżce (tj. mamy ciągłą korektę położenia punktu
padania wiązki). Centralna część
detektora podzielona na cztery
sektory oraz lekko astygmatyczna
soczewka skupiająca
pozwalają innemu układowi
ujemnego sprzężenia zwrotnego
korygować ogniskowanie wiązki
światła na właściwej głębokości.

Należy pamiętać, że złącza spolaryzowane w kierunku przewodzenia wykazują
małą „oporność” i zazwyczaj musimy dbać o ograniczenie prądu aby uniknąć
zniszczenia elementu zawierającego złącze. Diody np. typu LED polaryzujemy
poprzez szeregowo włączony rezystor ograniczający prąd i ratujący diodę
przed zniszczeniem! Przy rozwiązywaniu układów zawierających element
nieliniowy wygodna i często stosowana jest metoda graficzna. Poniższy rys.
ilustruje tę metodę. Napięcie na diodzie w tym układzie przy prądzie I, wynosi:
U

D

=E-IR. To równanie opisuje tzw. prostą obciążenia na płaszczyźnie U

D

I

D

.

Punkt przecięcia tej prostej z charakterystyką elementu nieliniowego, diody,
jest tzw. punktem pracy i pozwala wyznaczyć prąd i napięcie elementu
nieliniowego.

Punkt pracy
diody:

Każdy punkt na prostej
to para wartości: I - natężenie
prądu przez R, U - wartość
napięcia pozostawianego dla
diody, o którą należy
pomniejszyć E aby
E-U=IR

Powielacz napięcia

Układy z diodami prostowniczymi

Układy clamp. W układach clamp kondensator C efektywnie ładuje się poprzez
diodę i nieefektywnie przeładowuje przez impedancję R

o

przy: R

o

C >>T.

Zależnie od podłączenia diody U

out

≅

U

in

±

amplituda U

in

.

Układy z diodami prostowniczymi

Zasilacz napięcia stałego Prostownik

Zasilanie w postaci zasilacza sieciowego lub baterii (akumulatora) jest

podzespołem, który znajduje się w niemal każdym urządzeniu

elektrycznym i elektronicznym – ożywia go.

Zasilacze napięcia stałego

Komercyjnie dostępne i stosowane w

laboratoriach zasilacze mogą być dwojakiego rodzaju. 1) Mogą zawierać

masywny transformator sieciowy, zwykle obniżający lub czasem

podwyższający napięcie, które następnie jest prostowane i filtrowane. 2) Mogą

nie zawierać transformatora sieciowego a prostownik prostuje napięcie

sieciowe dla uzyskania napięcia stałego, które następnie jest szatkowane z

dużą częstotliwością albo zasila generator (10 kHz – 1 MHz) w tzw.

przetwornicy. Napięcie o tak wysokiej częstotliwości może być zmieniane przez

małe transformatory a następnie prostowane i bardziej skutecznie filtrowane.

Ważnym parametrem zasilaczy, poza zakresami wartości prądu i napięcia, jest

wielkość fluktuacji stabilizowanej wielkości. Wielkość fluktuacji (ripple) jest

określana w procentach liczonych od wartości stabilizowanej.
Zasilacze są wyposażone w dwie regulacje: a) regulację napięcia i b) regulację

natężenia prądu. Przy jakimkolwiek ustawieniu tych regulacji realizowana i

stabilizowana jest ta, która osiągana jest dla niższej mocy (czyli osiągana jest

wcześniej przy „wzroście obu od zera). Zatem od użytkownika zależ co

(napięcie czy prąd) ma być stabilizowane. Jeżeli wybieramy stabilizację

określonego prądu to regulator napięcia zwykle ustawiamy na wartość

maksymalną. Jeżeli stabilizowane ma być wybrane napięcie to regulację prądu

ustawiamy na wartość maksymalną. Takie postępowanie zapewnia, że nawet

przy znacznych zmianach obciążenia będzie stabilizowana jedna i ta sama

wielkość. Unikamy niepożądanego przełączania rodzaju stabilizacji.

Stabilizatory napięcia.

Produkowane są liczna wersje
stabilizatorów (z 3 lub 4
końcówkami na pojedyncze
napięcie oraz złożone, na
napięcia bipolarne). Rys. a)
przedstawia trójzaciskowy
układ LM317. Układ ten
daje natężenia prądu
wyjściowego 0-1,5A, działając
tak aby między zaciskami „Wy”
i „Reg” utrzymywało się
napięcie 1.25V (spadek napięcia na Rm). Zwykle na Rm dobieramy małą
oporność około 200

Ω

natomiast R dobieramy tak aby uzyskać stabilizowane

napięcie Uwy = (1+ R/Rm)•1,25V. Prąd wpływający do zacisku „Reg” jest
mały i do pominięcia! Rys. b) pokazuje najprostszy sposób powiększenia
zakresu prądów wyjściowych przez zastosowanie zewnętrznego tranzystora
dużej mocy. Gdy spadek napięcia na R

BE

przekroczy 0,6V tranzystor ten się

otwiera i przepuszcza dodatkowy prąd do wyjścia.

Elektronika lista zadań 05

1. Narysuj przebiegi napięć wyjściowych
dla podanych układów z diodami
Krzemowymi (otwierającymi się przy
napięciu +0,7V) gdy na wejścia układów
podawane są napięcia sinusoidalne o
amplitudzie 5V i małej częstotliwości.

2. Zaproponuj wartości R1, C1, R2 i C2
tak aby poniższy układ był filtrem pasmowym
na zakres częstotliwości 1kHz – 10kHz.

3 Dobierz kondensator C tak aby pulsacja napięcia na odbiorniku R=1k Ω
wynosiła nie więcej niż 5%.