E L E K T R O N I K A
Wykładowca: dr inż. Mirosław Mizan - Wydz. E i A,
Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki
Dane kontaktowe: budynek Wydz. E i A, pok. 117 (I piętro),
Internet: www.ely.pg.gda.pl/~mmizan, e-mail: [e-mail]
TREŚĆ PROGRAMU:
Elementy bierne elektroniki. Rodzaje i zasada działania przyrządów półprzewodniko-
wych. Diody półprzewodnikowe  rodzaje i właściwości. Tranzystor bipolarny, polowy,
IGBT. Elementy optoelektroniczne: fotodioda, fotoogniwo, dioda elektroluminescencyjna,
fotorezystor, fototranzystor, transoptor, światłowody. Zastosowanie elementów półprze-
wodnikowych w energoelektronice  prostowniki sterowane i niesterowane, falowniki
niezależne, impulsowe sterowniki napięcia stałego. Wzmacniacz operacyjny i jego zasto-
sowania  generatory, filtry aktywne, regulatory. Zasilacze niestabilizowane i stabilizo-
wane. Podstawy techniki cyfrowej - scalone układy cyfrowe TTL i CMOS. Układy logiczne
kombinacyjne i sekwencyjne. Podstawowe rodzaje bramek logicznych i przerzutników.
Cyfrowe bloki funkcjonalne: multipleksery, demultipleksery, dekodery, sumatory,
rejestry, liczniki. Układy programowalne. Pamięci półprzewodnikowe RAM, ROM,
FLASH. Architektura mikroprocesorów i mikrokontrolerów. Układy wejść-wyjść.
Przetworniki cyfrowo-analogowe i analogowo-cyfrowe. Przykłady zastosowań mikro-
procesorów. Elektroniczne przetworniki wielkości nieelektrycznych  pomiar siły i
momentu, ciśnienia, temperatury, przyspieszenia, przemieszczenia.
ZASADY ZALICZANIA PRZEDMIOTU:
Wynik zaliczenia na podstawie: a) kilku krótkich (ok. 20 minutowych)
sprawdzianów przeprowadzonych na ćwiczeniach audytoryjnych  waga
wyniku ze sprawdzianów ćwiczeniowych wynosi 0,3; b) oceny ze sprawozdań z
wykonanych ćwiczeń laboratoryjnych (na ocenę sprawozdania ma wpływ
także przygotowanie studenta do ćwiczenia i sposób wykonania ćwiczenia
przez grupę laboratoryjną)  waga sumarycznego wyniku z przebiegu ćwiczeń
i sprawozdań wynosi 0,3; c) testowego egzaminu pisemnego w sesji
egzaminacyjnej  waga wyniku egzaminu wynosi 0,4. Wynik końcowy jest
średnią ważoną, zaliczenie przedmiotu wymaga uzyskania średniej ważonej o
wartości ponad 50%. Obecność na wszystkich ćwiczeniach laboratoryjnych
obowiązkowa, nieusprawiedliwiona nieobecność na dwóch lub większej liczbie
ćwiczeń laboratoryjnych skutkuje brakiem możliwości zaliczenia przedmiotu.
LITERATURA:
1. Pr. zb.: Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. Podręcznik
akademicki  Mechanika. WNT, Warszawa 2004
2. Tietze U. Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszawa 1996.
3. Filipkowski A.: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, Warszawa
2006.
4. Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i
odpowiedziach. WNT, Warszawa 2006.
Elementy bierne elektroniki
Elementem biernym nazywamy element obwodu, w którym moc
elektryczna nie jest wzmacniana  doprowadzona energia może być
rozpraszana (ciepło) lub gromadzona jako energia pola elektrycznego lub
magnetycznego.
Podstawowe elementy bierne stosowane elektronice to rezystory,
kondensatory, cewki indukcyjne i transformatory.
Rezystory
Symbol:
u
R
i(t)
u(t)
u(t) = R �" i(t) i
R nazywamy rezystancją a jej jednostką jest om [&!].
Energia w rezystorze jest wydzielana głównie w postaci ciepła.
Podstawowe parametry rzeczywistego rezystora to:
1) Rezystancja znamionowa Rn i tolerancja rezystancji  określają
przedział w którym mieści się rzeczywista rezystancja elementu.
Produkowane są rezystory o wartościach od 0,01 &! do 1012 &! oraz o
tolerancjach (dokładności) od 0,005% do 20%. Rezystory produkowane
seryjnie mają znormalizowane ciągi wartości:
E6 ą20% 1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8
ą10%
1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8,2
E12
E24 ą5% 1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0
3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Mnożąc wartości z tabeli przez 10n uzyskujemy możliwe wartości
nominalne rezystancji produkowanych rezystorów.
Do bardziej precyzyjnych układów używamy rezystorów o mniejszych
tolerancjach np. 1% lub 0,1%.
2) Znamionowa moc strat rezystora Pn  określa dopuszczalną moc
wydzielaną w sposób ciągły w rezystorze przy temperaturze otoczenia
40�C. Typowe moce produkowanych rezystorów w watach [W] to: 0,05
0,125 0,25 0,5 1 2 3 5 10 20 60 ... 250. Trwałe przekroczenie
mocy znamionowej prowadzi do cieplnego zniszczenia rezystora,
dopuszczalne jest natomiast krótkotrwałe, nawet znaczne przekroczenie tej
mocy.
3) Napięcie graniczne Un  określa najwyższą wartość napięcia (stałego lub
szczytowego zmiennego), które może być doprowadzone do rezystora  nie
może być przekroczone nawet chwilowo (wytrzymałość elektryczna na
przebicie !); typowe wartości 150 � 750 V.
4) Temperaturowy współczynnik rezystancji TWR  określa względną (w
procentach) zmianę rezystancji przy zmianie temperatury o 1K (1�C) ; w
zależności od materiału i rodzaju wykonania może przyjmować wartości
dodatnie lub ujemne; typowy rząd wielkości: 0,1 %/K.
Rezystory wytwarzane są najczęściej ze sprasowanych mas węglowych,
folii metalowej, drutu lub elementów półprzewodnikowych.
Produkowane są także rezystory nastawne  potencjometry.
R2
Uwy = Uwe
R1 + R2
R1
Uwe
R2
Uwy
Dzielnik napięcia:
Pomiar rezystancji można wykonać przy pomocy omomierza  obecnie
głównie multimetry cyfrowe o odpowiednich zakresach pomiarowych.
Wyznaczanie rezystancji metodą techniczną: a) dla rezystancji o
niewielkiej wartości (poniżej 1 &!), b) dla rezystancji większych
Nieliniowe rezystory półprzewodnikowe:
Termistor  rezystor zmieniający w znacznym stopniu rezystancję przy
zmianie temperatury, stosowane do pomiaru temperatury lub
zabezpieczenia urządzeń przed przegrzaniem:
- PTC (Positive Temperature Coefficient) rezystancja rośnie przy wzroście
temperatury,
- NTC (Negative Temperature Coefficient) rezystancja maleje przy
wzroście temperatury,
- CRT (Critical Temperature Resistor) rezystancja zmienia się prawie
skokowo przy przekroczeniu temperatury krytycznej.
Fotorezystor  rezystor zmniejszający rezystancję pod wpływem
oświetlenia.
Tensometr  rezystor zmieniający rezystancję pod wpływem naprężenia
mechanicznego, wywołującego deformację  wykorzystywany do
pomiarów sił (naprężeń).
Gaussotron  rezystor zmieniający rezystancję pod wpływem pola
magnetycznego  wykorzystywany do pomiarów indukcji pola
magnetycznego.
Kondensatory
C
du(t)
i(t) = C�"
i(t)
Symbol:
dt
t
1
u(t) = i(�)d� + u(0)
+"
u(t)
C
0
Wielkość C nazywamy pojemnością elektryczną, jej jednostką jest farad
[F]. Kondensatory stosowane w układach elektronicznych mają z reguły
pojemności rzędu milifarada (1 mF = 10-3 F), mikrofarada (1 �F = 10-6 F),
nanofarada (1 nF = 10-9 F) lub pikofarada (1 pF = 10-12 F).
Kondensatory gromadząładunek elektryczny:
Q = C �" u
Energia doprowadzona do kondensator jest gromadzona w powstałym
polu elektrycznym.
Podstawowe parametry rzeczywistego kondensatora to:
1) Pojemność znamionowa Cn i tolerancja pojemności  określają przedział
w którym mieści się rzeczywista pojemność elektryczna elementu.
Produkowane są kondensatory o pojemności od 1 pF do kilku F.
Kondensatory produkowane seryjnie mają znormalizowane ciągi wartości.
2) Napięcie znamionowe Un  określa z reguły najwyższą wartość napięcia,
które może być doprowadzone do kondensatora. W przypadku
kondensatorów, które stosuje się w obwodach o prądzie stałym i zmiennym
określa się również dopuszczalne wartości składowej zmiennej  różne dla
różnych częstotliwości; typowe wartości od kilku V (dla kondensatorów
elektrolitycznych) do ok. 750 V.
3) Temperaturowy współczynnik pojemności TWP  określa względną (w
procentach) zmianę pojemności kondensatora przy zmianie temperatury o
1K (1�C) ; w zależności od materiału i rodzaju wykonania może
przyjmować wartości dodatnie lub ujemne; typowy rząd wielkości: od 10-4
do 0,5 %/K (duże wartości dla kondensatorów elektrolitycznych).
4) Współczynnik stratności tg�  � jako tzw. kąt strat wynosi (90�-�) gdzie
� jest kątem przesunięcia fazowego między prądem i napięciem
kondensatora przy określonej częstotliwości. Straty powstają głównie
wskutek zjawiska histerezy dielektrycznej, ich moc:
P = 2ĄfCU2tg�
Typowe wartości tg� zawierają się od 10-4 do 0,8.
Kondensatory zbudowane są z 2 warstw przewodzących (okładzin)
rozdzielonych dielektrykiem. Użyty dielektryk decyduje o parametrach i
właściwościach kondensatora i od niego pochodzi nazwa kondensatora, np:
poliestrowy, polistyrenowy, mikowy, ceramiczny, polipropylenowy,
papierowy, teflonowy, tantalowy itd.
Szczególnym rodzajem są kondensatory elektrolityczne  warstwa
dielektryka tlenkowego (tlenek aluminium lub tantalu) jest wytwarzana
elektrolitycznie w procesie formowania wytworzonego elementu  ujemną
okładziną jest tu elektrolit. Cechuje je duża pojemność elektryczna na
jednostkę objętości i stosunkowo niskie napięcia znamionowe. Warstwa
tlenku ma właściwości izolacyjne tylko dla jednego kierunku napięcia 
kondensatory te mogą być stosowane tylko przy napięciach
jednokierunkowych (napięcia stałe). Doprowadzenie napięcia o
niewłaściwej polaryzacji powoduje zniszczenie kondensatora
elektrolitycznego.
+ 
Symbol:
Przy łączeniu równoległym kondensatorów łączna pojemność układu jest
sumą pojemności elementów składowych:
C1 C2 Cn CZ
CZ = C1 + C2 +L+ Cn
Przy łączeniu szeregowym kondensatorów zachodzi relacja:
C1 C2 Cn CZ
1
1 1 1 1
CZ =
= + +L+
1 1 1
CZ C1 C2 Cn
+ +L+
C1 C2 Cn
Pomiar pojemności można wykonać przy pomocy cyfrowych multimetrów
 lepszej klasy mierniki mają oddzielne zaciski do pomiaru pojemności.
Dla kondensatorów mogących pracować przy napięciu zmiennym (nie
dotyczy kondensatorów elektrolitycznych) można wykonać pomiar metodą
techniczną; zakłada się tu jednak idealny charakter kondensatora.
1 UV
XC = =
�C IA
IA IA
C = =
�UV 2ĄfUV
Pojemność można także oszacować na podstawie stałej czasowej,
obserwowalnej w procesie ładowania lub rozładowania kondensatora
poprzez rezystor o znanej rezystancji (stan przejściowy w obwodzie).
WE1
WE2
2
1
ic
c
uc
E
0 t
5T
T=R2C
1
Cewki indukcyjne
d� di
L
u = = L �"
dt dt
i(t)
Symbol:
t
1
i(t) = u(�)d� + i(0)
+"
u(t)
L
0
Wielkość L nazywamy indukcyjnością własną, jej jednostką jest henr [H].
Energia jest gromadzona w cewce w polu magnetycznym. Idealna cewka
jest elementem bezstratnym (o zerowej rezystancji). Cewka składa się ze
zwojnicy wykonanej z przewodu elektrycznego, nawiniętej na korpusie
(karkas). W cewkach powietrznych strumień magnetyczny zamyka się
przez powietrze  są to elementy liniowe (stała indukcyjność). Cewki
nawinięte na rdzeniu ferromagnetycznym są nieliniowe (krzywa
magnesowania)  ich indukcyjność zależy od płynącego prądu.
Cewka nie jest elementem idealnym, w dokładniejszym schemacie
zastępczym prócz indukcyjności należy uwzględnić rezystancję modelującą
straty mocy i pojemność własną cewki.
Cewki służące do redukcji składowej zmiennej prądu (wygładzania prądu)
nazywamy dławikami. Występują ponadto jako uzwojenia w
transformatorach.
Wyznaczanie parametrów:
UV
XL
UV
Z =
R =
-
IA XL = Z2 R2 L =
�
IA
ELEMENTY PÓA
PRZEWODNIKOWE
Obecnie prawie wszystkie urządzenia elektroniczne zawierają znaczną
liczbę elementów półprzewodnikowych.
Konduktywność:
10-18 10-8 10-1 105 107 108
izolatory półprzewodniki
przewodniki
Ponadto konduktywność półprzewodników zależy silnie od temperatury,
oświetlenia, naprężeń mechanicznych i innych czynników. Wykorzystuje
się to do budowy półprzewodnikowych czujników pomiarowych, poza nimi
w większości przypadków zależność ta jest wadą elementów.
Podstawowym materiałem do produkcji elementów półprzewodnikowych
jest krzem w postaci krystalicznej.
Mechanizm przewodzenia w półprzewodniku można w uproszczeniu
wyjaśnić w oparciu o model atomu opracowany przez Nielsa Bohra z
póz
niejszymi modyfikacjami.
Pasma energetyczne
atomu półprzewodnika
Większość elektronów w atomie krzemu zajmuje niższe poziomy
energetyczne (bliżej jądra), cztery tzw. elektrony walencyjne zajmują
pasmo podstawowe; uczestniczą one w wiązaniach międzyatomowych.
Elektron walencyjny może przemieścić się do pasma przewodnictwa, jeżeli
dostarczone mu zostanie energia (np. przez podgrzanie półprzewodnika).
Elektron który znalazł się w pasmie przewodnictwa porusza się jak
swobodny nośnik ładunku w całej objętości kryształu (jak w przewodniku).
Niedobór elektronu w wiązaniu międzyatomowym (nieskompensowany
ładunek dodatni zwany  dziurą ) może powodować przejście do tego
miejsca elektronu walencyjnego z sąsiedniego wiązania czyli
przemieszczenie się dodatniej  dziury . Zerwanie każdego wiązania
międzyatomowego tworzy parę nośników ładunku: swobodny elektron i
 dziurę  tzw. generacja pary nośników. Przy spotkaniu elektronu i dziury
elektron może uzupełnić uszkodzone wiązanie  tzw. rekombinacja
nośników.
Koncentracja swobodnych elektronów n i koncentracja dziur p w czystym
krzemie są sobie równe.
Domieszkowanie:
Wprowadzając celowo do kryształu krzemu atomy pierwiastków o 3
elektronach walencyjnych (akceptory; np. ind, gal) doprowadzamy do
braku 1 elektronu walencyjnego w wiązaniach międzyatomowych  przy
niewielkiej dawce energii powstaje  dziura .
Wprowadzając atomy pierwiastków o 5 elektronach walencyjnych (donory;
np. arsen, antymon) doprowadzamy do nadmiaru 1 elektronu walencyj-
nego w wiązaniach międzyatomowych  przy niewielkiej dawce energii
może on przejść do pasma przewodnictwa  powstaje swobodny elektron.
Półprzewodnik typu n  koncentracja swobodnych elektronów większa od
koncentracji dziur (np. domieszkowany donorowo)
Półprzewodnik typu p  koncentracja dziur większa od koncentracji
swobodnych elektronów (np. domieszkowany akceptorowo)
Jeżeli w płytce półprzewodnika umieszczone są obok siebie obszary typu n
oraz typu p, powstaje tzw. złącze pn.
Wskutek dyfuzji nośników ładunku przez złącze (prąd dyfuzji), wytwarza
się nadmiar ładunku dodatniego (jonowego) po stronie n oraz nadmiar
ładunku ujemnego (jonowego) po stronie p; tworzy się bariera potencjału.
Wytworzone pole elektryczne (efekt podobny do tego, jaki powstaje między
okładzinami kondensatora) przeciwdziała zjawisku dyfuzji.
Wytworzone pole wywołuje ruch nośników mniejszościowych w kierunku
przeciwnym (prąd unoszenia).
Napięcie bariery potencjału Uj zależy od koncentracji domieszek. W
praktyce typowa wartość dla krzemowych złączy pn wynosi poniżej 1 V.
Obszar w środkowej strefie, pozbawiony swobodnych nośników w wyniku
dyfuzji i rekombinacji nośników nazywamy warstwą zaporową.
Dołączenie zewnętrznego z
ródła napięcia czyli polaryzacja złącza pn w
kierunku przewodzenia  biegun dodatni z
ródła połączony z obszarem p,
zaś biegun ujemny z
ródła połączony z obszarem n powoduje osłabienie
pola wewnętrznego i zwężenie warstwy zaporowej; dla Uz
r H" Uj bariera
potencjału i warstwa zaporowa zanikają całkowicie. Ponownie narasta
prąd dyfuzyjny uzależniony od nośników większościowych. Prąd może
osiągnąć duże wartości przy niewielkim spadku napięcia na złączu pn;
nazywamy go prądem przewodzenia. Obszar n nazywamy katodą, obszar p
 anodą.
Dołączenie zewnętrznego z
ródła napięcia czyli polaryzacja złącza pn w
kierunku wstecznym (zaporowym)  biegun dodatni z
ródła połączony z
obszarem n, zaś biegun ujemny z
ródła połączony z obszarem p powoduje
wzmocnienie pola wewnętrznego i poszerzenie warstwy zaporowej przez
odprowadzanie nośników większościowych ze strefy granicznej. Maleje
prąd dyfuzyjny, uzależniony od nośników większościowych. Wypadkowy
prąd ma charakter prądu unoszenia, jest zależny od ruchu nośników
mniejszościowych  są to głównie ruchy cieplne, stąd prąd prawie nie zależy
od napięcia. Prąd ten nazywamy prądem wstecznym złącza pn.
Charakterystyka prądowo-napięciowa
złącza pn:
U
�# ś#
ś# ź#
I = IS ś#eVT - 1ź#
ś# ź#
�# #
IS  prąd nasycenia, VT  potencjał
elektrokinetyczny (26 mV przy 300K)
Przy zbyt dużej wartości prądu w kierunku przewodzenia następuje
cieplne uszkodzenie złącza, przy zbyt dużej wartości napięcia w
kierunku wstecznym następuje zjawisko przebicia złącza.
Przebicie lawinowe  przy silnym polu elektrycznym elektrony przy
zderzeniu z atomami półprzewodnika mogą powodować ich jonizację
(uwolnienie kolejnej pary nośników)  zwiększa się prąd unoszenia.
Mechanizm przebicia lawinowego występuje przy wyższych napięciach
(dla złączy krzemowych powyżej 7 V).
Przebicie Zenera  wyrywanie elektronów z wiązań międzyatomowych
przy dużych siłach pola elektrycznego. Przebicie tego typu występuje przy
niższych napięciach (dla złączy krzemowych poniżej 5 V).
Wpływ temperatury na złącze pn:
Przy wzroście temperatury:
- maleje bariera potencjału i spadek napięcia w stanie przewodzenia,
- rośnie wsteczny prąd nasycenia,
- napięcie przebicia Zenera maleje, napięcie przebicia lawinowego wzrasta.
Złącze pn jest wykorzystywane w diodach półprzewodnikowych.
Przedstawiona zasada działania złącza i jego charakterystyka opisują
diodę prostowniczą.
Diody
Oparte na wykorzystaniu własności złącza pn. Charakteryzują się
nieliniową charakterystyką prądowo-napięciową.
Dioda prostownicza
Wykorzystywana do budowy prostowników  układów przekształcających
prąd przemienny na prąd jednokierunkowy.
Symbol:
I
anoda katoda
U
Parametry graniczne:
- prąd przewodzenia (do 10kA),
- napięcie wsteczne (do kilku kV),
- temperatura złącza (do 180�C);
w praktyce częściej temp. obudowy
Diody lub moduły diodowe o prądach przewodzenia rzędu kilkunastu i
więcej amperów wykonywane są w obudowach umożliwiających przymoco-
wanie radiatora (do odprowadzania ciepła).
Własności dynamiczne diody:
Przebiegi prądu i napięcia przy wyłączaniu diody
Czas odzyskiwania zdolności zaworowej trr dla diod prostowniczych jest
rzędu od kilku do kilkudziesięciu �s. Zjawisko chwilowego przewodzenia
dużego prądu w kierunku wstecznym wynika z konieczności odprowadze-
nia ładunku dyfuzyjnego Qrr z obszaru złącza  ładunek zgromadzony w
złączu podczas przewodzenia (efekt rozładowania kondensatora).