2.7. Jakie funkcje realizują obwody złożone z elementów RLC?

Obwody złożone z elementów RLC spełniają wiele rozmaitych funkcji, m.in. służą do dzielenia napięć, sprzęgania układów, kształtowania impulsów, selekcji wybranych pasm częstotliwości, wzbudzania drgań elektrycznych. Liczba tworzonych obwodów (możliwych konfiguracji połączeń elementów RLC) jest ogromna, każdy z elementów może bowiem występować wielokrot­nie w różnych miejscach układu, a przy tym może mieć różne wartości. Pod­stawowe zastosowanie mają: dzielniki napięcia, obwody różniczkujące, obwo­dy całkujące, obwody rezonansowe, przesuwniki fazy, mostki, filtry itp.

2.8. Co to jest dzielnik napięcia?

Dzielnik napięcia jest to obwód elektryczny, służący do dzielenia na­pięcia zasilającego (wejściowego) na dwa lub więcej napięć składowych.

2.9. Jakie są cechy charakterystyczne obwodów różniczkujących?

Obwód różniczkujący jest to obwód elektryczny, w którym napięcie wyjściowe u₂ jest w przybliżeniu proporcjonalne do szybkości zmian napięcia wejściowego u, czyli do pochodnej (różniczki) napięcia u1 względem czasu.

Obwody różniczkujące są stosowane przede wszystkim w technice im­pulsowej do kształtowania impulsów elektrycznych, np. do przetwarzania fali prostokątnej w ciąg impulsów szpilkowych.

2.10. Jakie są cechy charakterystyczne obwodów całkujących?

Obwód całkujący jest to obwód elektryczny, w którym napięcie wyj­ściowe u2 jest w przybliżeniu proporcjonalne do całki napięcia wejściowego u1 w określonym przedziale czasu. Schemat elektryczny prostego powszechnie stosowanego obwodu całkującego RC. Dla tego obwodu rozpatrywana zależność ma postać:

Obwody całkujące są stosowane w technice impulsowej do kształto­wania przebiegów elektrycznych (np. przekształcania impulsów prostokątnych w trójkątne, bądź też fali prostokątnej w trójkątną), w technice telewizyjnej do separacji impulsów (np. do wydzielania impulsów synchronizacji pionowej

2.11. Co to są filtry elektryczne?

Filtry elektryczne są to obwody elektryczne wydzielające z doprowa­dzonego sygnału napięcia elektrycznego przebiegi, których częstotliwość leży w określonym paśmie częstotliwości. W podstawowej klasyfikacji rozróżnia się filtry: dolnoprzepustowe i górnoprzepustowe oraz pasmowozaporowe (środkowozaporowe) i pasmowoprzepustowe (środkowoprzepustowe).

Filtr górnoprzepustowy słabo przenosi sygnały o małych częstotliwościach, sygnałów zaś o wielkich częstotliwościach, praktycznie biorąc, nie tłumi. Odwrotnie zachowuje się filtr dolnoprzepustowy - bardzo dobrze przenosi sygnały o małych częstotliwościach, zaś silnie tłumi sygnały o wielkich częstotliwościach. W odniesieniu do obu filtrów można wyznaczyć pewną wartość częstotliwości, nazywaną częstotliwością graniczną f_g, dla której stosunek wartości napięć wyjściowego U₂ do wejściowego U₁, wynosi U₂/U₁ = l/sqrt(2)=~0,71, a przesunięcie fazowe między tymi napięciami wynosi Pi/4. Częstotliwość f_g określa tzw. pasmo przenoszenia obwodu.

2.14. Co to są obwody rezonansowe?

Obwody rezonansowe nazywane też obwodami drgającymi są to obwody elektryczne złożone z elementów reaktancyjnych (pojemności i indukcyjności), wyróżniające się tym, że może w nich wystąpić zjawisko rezonansu elektryczne­go. Rozróżnia się obwody rezonansowe szeregowe i równoległe.

Przebieg zjawisk, mimo identycznej postaci wzorów na pulsację (i częstotli­wość) rezonansową, jest różny w obu rozpatrywanych przypadkach. W obwo­dzie szeregowym w stanie rezonansu występuje równość modułów napięć na elementach reaktancyjnych (rezonans napięć), a w obwodzie równoległym - równość modułów prądów (rezonans prądów). Impedancja obwodu

3.2. Co to są rezystory i jakie są ich rodzaje?

Rezystory są to elementy elektryczne, których podstawowym paramet­rem użytkowym jest rezystancja R wyrażana w omach. Zadaniem rezys­torów w obwodzie elektrycznym jest ustalenie określonej wartości prądu I= U/R lub spadku napięcia U = RI. Moc wydzielana w rezystorze P = UI jest przy tym zamieniana na ciepło.

W podstawowej klasyfikacji rezystory dzieli się na stałe i zmienne. Rezystorami stałymi nazywa się elementy o wartości rezystancji ustalonej w procesie wytwarzania i nie podlegającej zmianie w czasie pracy, rezystorami zaś zmiennymi - elementy charakteryzujące się zmiennością rezystancji. Rezys­tory zmienne dzieli się z kolei na: nastawne, o konstrukcji umożliwiającej płyn­ną, dokonywaną w sposób mechaniczny, zmianę wartości rezystancji w obwo­dzie włączenia (rezystory te potocznie nazywa się potencjometrami), i półprze­wodnikowe (wytwarzane z półprzewodników) o rezystancji zmieniającej się w znacznym przedziale wartości pod wpływem rozmaitych czynników ze­wnętrznych, są to np. termistory, magnetorezystory, fotorezystory.

Najważniejszymi parametrami rezystora są rezystancja wraz z toleran­cją oraz napięcie znamionowe i dopuszczalna moc strat. Innymi ważniejszymi parametrami są: napięcie graniczne, temperaturowy współczynnik rezystancji, napięciowy współczynnik rezystancji, częstotliwość graniczna, napięcie szumów.

Termistory są to elementy półprzewodnikowe bezzłączowe, charakte­ryzujące się dużymi zmianami rezystancji w funkcji temperatury.

REZYSTORY

Stałe zmienne

nastawne półprzewodnikowe

(potencjometry) magnetorezystory

warystory

fotorezystory

termistor

3.11. Co to są kondensatory i jakie są ich rodzaje?

Kondensatory są to elementy elektryczne, których podstawowym para­metrem użytkowym jest pojemność C wyrażana w faradach (F). Kondensator stanowi układ co najmniej dwóch elektrod wykonanych z materiału przewodzą­cego (metalu) odizolowanych od siebie dielektrykiem. Pojemność kondensatora określają przenikalność elektryczna E(epsilon) oraz rozmiary (grubość i powierzchnia) materiału dielektrycznego wypełniającego przestrzeń między elektrodami prze­wodzącymi. Kondensator służy do gromadzenia ładunku elektrycznego (Q = CU), przy czym w wyniku doprowadzenia napięcia na jego elektrodach pojawiają się ładunki równe co do wartości bezwzględnej, lecz o przeciwnych znakach. Zmiany napięcia doprowadzonego do kondensatora wywołują zmiany ładunku kondensatora, w wyniku przez kondensator płynie prąd o natężeniu

Doprowadzenie napięcia o kształcie sinusoidalnym powoduje przepływ przez kondensator prądu o takim samym kształcie, lecz przesuniętego w fazie wzglę­dem napięcia o pewien kąt fi<= Pi/2. W kondensatorze idealnym, charaktery­zującym się tylko pojemnością, kąt fazowy jest równy Pi/2.

3.12. Jakie są podstawowe parametry kondensatorów?

Podstawowymi parametrami kondensatora są pojemność znamiono­wa wraz z tolerancją oraz napięcie znamionowe i stratność dielektryczna (tangens kąta strat (mała delta). Do ważniejszych parametrów kondensatora zalicza się na­pięcie probiercze, dopuszczalne napięcie przemienne, rezystancję izolacji, tem­peraturowy współczynnik pojemności.

a) elektrolityczny, b) tantalowy, c) poliestrowy, d) ceramiczny, e) styrofleksowy. Cewka indukcyjna

jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w polu magnetycznym. Szybkość zmian prądu płynącego przez

cewkę indukcyjną zależy od panującego na niej napięcia. Zależność tą można wyrazić wzorem : U=L(dI/dt)

3.22. Jakie są podstawowe parametry induktorów?

Podstawowymi parametrami induktorów są indukcyjność, dobroć (lub tangens kąta strat), moc (lub prąd dopuszczalny), częstotliwość rezonansu własnego, temperaturowy współczynnik indukcyjności. Ponadto często podaje się liczbę zwojów, rodzaj i grubość przewodu nawojowego, sposób ekranowa­nia, wymiary elementu, typ rdzenia dla induktorów magnetowodowych oraz zakres regulacji indukcyjności dla induktorów zmiennych. Transformator (z łac transformare - przekształcać) - maszyna elektryczna służąca do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego.

Złączem p-n nazywane jest złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa: p i n.

W obszarze typu n (negative) nośnikami większościowymi są elektrony (ujemne). atomy domieszek (donory) pozostają unieruchomione w siatce krystalicznej. Analogicznie w obszarze typu p (positive) nośnikami większościowymi są dziury o ładunku elektrycznym dodatnim. Atomy domieszek są tu akceptorami. W półprzewodnikach obu typów występują także nośniki mniejszościowe przeciwnego znaku niż większościowe; koncentracja nośników mniejszościowych jest dużo mniejsza niż większościowych.

NIESPOLARYZOWANE

W stanie równowagi termodynamicznej tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola elektrycznego, w pobliżu styku obszarów p i n swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu p, natomiast dziury do obszaru typu n (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwóch swobodnych nośników. Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, czego skutkiem jest pojawienie się nieruchomych jonów: ujemnych akceptorów i dodatnich donorów; jony te wytwarzają pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji nośników. W efekcie w pobliżu złącza powstaje warstwa ładunku przestrzennego, nazywana też warstwą zubożoną (tj. praktycznie nieposiadającą swobodnych nośników) lub warstwą zaporową. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie n hamuje przepływ dziur z obszaru p, natomiast ładunek ujemny po stronie p hamuje przepływ elektronów z obszaru n. Innymi słowy przepływ nośników większościowych praktycznie ustaje.

Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym. W złączu mogą przepływać również nośniki mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego.

SPOLARYZOWANE

Jeśli do złącza zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne, wówczas równowaga zostanie zaburzona. W zależności od biegunowości napięcia zewnętrznego rozróżnia się dwa rodzaje polaryzacji złącza:

w kierunku przewodzenia, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączony do obszaru p; w kierunku zaporowym, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru n. Bez względu na polaryzację dla większości złącz można przyjąć, że całe napięcie zewnętrzne odkłada się na obszarze zubożonym.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia występuje, gdy napięcie ze­wnętrzne jest doprowadzone do złącza PN, w taki sposób, że biegun dodatni źródła napięcia U jest połączony z obszarem P, biegun zaś ujemny z obszarem

N. Polaryzacja zewnętrzna jest wówczas przeciwna do bieguno­wości napięcia dyfuzyjnego, zatem bariera potencjału φ_b maleje o wartość na­pięcia zewnętrznego, zmniejsza się również szerokość warstwy zaporowej. Wskutek mniejszej bariery potencjału wzrasta prawdopodobieństwo przejścia nośników większościowych poprzez warstwę zaporową, a więc znacznie zwięk­sza się prąd dyfuzji elektronów z obszaru N do obszaru P oraz dziur z P do N (składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych, praktycznie rzecz biorąc, nie ulegają zmianie). W miarę zwiększania napięcia zewnętrznego prą­dy dyfuzyjne stają się coraz większe, osiągając bardzo duże wartości, gdy war­tość napięcia zewnętrznego zbliża się do wartości φ_b bariery potencjału (np. dla złącza krzemowego φ_b=~ 0,7 V). Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia składowe prądu dyfuzji nośników większościowych są znacznie większe niż składowe prądu unoszenia nośników mniejszościowych, zatem prądy dyfuzyj­ne dominują w prądzie przewodzenia złącza PN.

Polaryzacja w kierunku zaporowym występuje wówczas, gdy biegun dodatni źródła napięcia zewnętrznego połączymy z obszarem N, biegun zaś ujemny z obszarem P. Wskutek zgodności polaryzacji zewnętrznej z biegunowością napięcia dyfuzyjnego bariera potencjału zwiększy się o war­tość napięcia zewnętrznego oraz ulegnie rozszerzeniu warstwa zaporowa. Dy­fuzja nośników większościowych ponad tak zwiększoną barierą jest, praktycz­nie rzecz biorąc, niemożliwa. Przez złącze PN płynie zatem tylko bardzo mały prąd nośników mniejszościowych nazywany prądem wstecznym złącza PN. Składowymi prądu wstecznego są niezależne od napięcia prądy unoszenia elek­tronów z obszaru P do obszaru N i dziur z N do P oraz, będący funkcją napięcia, prąd generacji nośników w warstwie zaporowej (z istnieniem i wza­jemną relacją tych składowych wiąże się istotne różnice w przebiegu charak­terystyk prądowo-napięciowych różnych złącz półprzewodnikowych dla kie­runku zaporowego).

Diodą półprzewodnikową nazywa się element dwukońcówkowy o nie­liniowej i niesymetrycznej charakterystyce prądowo-napięciowej (rys. 4.8A),

Charakterystyki prądowo-napieciowe diod półprzewodnikowych:

a) prostowniczej (uniwersalnej); b) tunelowej (1), Zenera (2), zwrotnej (3)

gdzie: I_e - prąd emisji elektronów; φ_T = kT/q - potencjał elektrokinetyczny;

m - stały współczynnik (najczęściej m = 1,06); U - napięcie zewnętrzne

Diody prostownicze są to diody przeznaczone do pracy w układach prostowniczych bloków zasilania różnych urządzeń elektrycznych t elektro-

Diody stabilizacyjne nazywane również stabilistorami lub diodami Ze­nera, są to diody umożliwiające stabilizację napięcia prądu stałego. Typowy Diodami impulsowymi (lub przełączającymi) nazywa się diody przezna­czone do pracy w układach impulsowych, wyróżniające się bardzo szybką re­akcją na zmiany warunków polaryzacji.

Diody pojemnościowe są to diody półprzewodnikowe o konstrukcji specjalnie opracowanej do zastosowań, w których wykorzystuje się zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza PN pod wpływem doprowadzo­nego z zewnątrz napięcia polaryzacji (por. pyt. 4.5).

4.15. Co to jest tranzystor?

Tranzystor jest to element półprzewodnikowy, w zasadzie trójelektro-dowy (trójkońcówkowy), umożliwiający wzmacnianie mocy sygnałów elekt­rycznych. Tranzystor jest elementem czynnym pełniącym podstawową rolę w elektronicznych układach analogowych i cyfrowych, jako wzmacniacz, dete­ktor, przełącznik itp. Tranzystor może być elementem indywidualnym (dys­kretnym) lub częścią monolitycznego układu scalonego. Tranzystory indywi­dualne są montowane w różnych obudowach dostosowanych w szczególności do mocy rozpraszanej i częstotliwości pracy.

4.16. Jaką budowę mają tranzystory bipolarne?

Elementarna struktura tranzystora bipolarnego składa się z trzech wytworzonych w płytce monokrystalicznego półprzewodnika warstw, kolejno NPN (tranzystor typu N) lub PNP (tranzystor typu P). Warstwy te są nazywane zgodnie z ich funkcjami: emiter (E - emitter) - dostarcza nośniki mniejszościowe do bazy, baza (B - base) - stanowi podstawę (warstwę wspólną) dla obu złączy, kolektor (C - collector) - zbiera nośniki wstrzykiwane z emitera do bazy. Współcześnie Zasada działania tranzystora bipolarnego od strony 'użytkowej' polega na sterowaniu wartością prądu kolektora za pomocą prądu bazy. (Prąd emitera jest zawsze sumą prądu kolektora i prądu bazy). Prąd kolektora jest wprost proporcjonalny do prądu bazy, współczynnik p_Eroporcjonalności nazywamy wzmocnieniem tranzystora i oznaczamy symbolem h21 lub grecką literą β.

Napięcie przyłożone do złącza baza-emiter w kierunku przewodzenia wymusza przepływ prądu przez to złącze - nośniki większościowe (elektrony w tranzystorach NPN lub dziury w tranzystorach PNP) przechodzą do obszaru bazy (stąd nazwa elektrody: emiter, bo emituje nośniki). Nośniki wprowadzone do obszaru bazy przechodzą bezpośrednio do kolektora - jest to możliwe dzięki niewielkiej grubości obszaru bazy - znacznie mniejszej niż droga swobodnej dyfuzji nośników ładunku w tym obszarze (ok. 0,01-0,1 mm), co pozwala na łatwy przepływ nośników przechodzących przez jedno ze złącz do obszaru drugiego złącza -nośniki wstrzyknięte do bazy niejako 'siłą rozpędu' dochodzą do złącza kolektor baza.

Ponieważ złącze to jest spolaryzowane w kierunku zaporowym to nośniki mniejszościowe są 'wsysane' do kolektora.

Prąd bazy składa się z dwóch głównych składników: prądu rekombinacji i prądu wstrzykiwania. Prąd rekombinacji to prąd powstały z rekombinowania

wstrzykniętych do bazy nośników mniej szóści owych z nośnikami większościowymi w bazie. Jest tym mniejszy im cieńsza jest baza. Prąd

wstrzykiwania jest to prąd złożony z nośników wstrzykniętych z bazy do emitera, jego wartość zależy od stosunku koncentracji domieszek w obszarze bazy i emitera.

Rozróżniamy układy pracy tranzystora:

wspólny emiter (OE)

wspólna baza (OB)

wspólny kolektor (OC)

Parametr OC OE OB

Rezystancja wejściowa duża średnia mała

Wzmocnienie napięciowe równe jedności duże średnie
Wzmocnienie prądowe duże średnie mniejsze od jedności

Oporność wyjściowa mała duża duża

Prąd kolektora nie zależy od napięcia UCB lecz jest funkcją napięcia UEB Ie = Ib + I

4.20. Jaką postać mają modele małosygnalowe tranzystora bipolarnego?

Tranzystor bipolarny spolaryzowany w pewnym punkcie pracy i stero­wany małym sygnałem prądu zmiennego zachowuje się w przybliżeniu jak ele­ment liniowy, stąd modele opisujące właściwości małosygnalowe tranzystora nazywa się ogólnie modelami liniowymi lub modelami małosygnałowymi. Mode­le te tworzy się w sposób formalny, traktując tranzystor jak „czarną skrzynkę"

Modele czwórnikowe tranzystora bipolarnego są opisywane parami ró­wnań przedstawiających zależności liniowe prądów i napięć wejściowych i wyj-

Dozwolony obszar pracy aktywnej tranzystora wyznaczają zjawisko przebicia i dopuszczalna moc strat. Liczbowo te ograniczenia wyrażają gra­niczne (dopuszczalne) parametry statyczne. Przekroczenie wartości tych pa­rametrów może spowodować uszkodzenie tranzystora lub niedopuszczalne zmiany jego właściwości.

Najważniejszymi parametrami granicznymi tranzys­tora bipolarnego są:

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.

Ze względu na budowę i sposób działania tranzystorów polowych, prąd bramki praktycznie nie płynie (jest rzędu mikro-, nanoamperów), dzięki temu elementy te charakteryzują się bardzo dużą rezystancją wejściową oraz dużą transkonduktancją.

Odpowiednio do zasady działania rozróżnia się dwa główne typy tranzystorów polowych: Złączowe (JFET, Junction FET), w których bramka jest połączona z obszarem kanału; ze względu na rodzaj złącza bramka-kanał rozróżnia się: tranzystory ze złączem p-n (PNFET);

tranzystory ze złączem metal-półprzewodnik (MEtal-Semiconductor FET, MESFET).

Z izolowaną bramką (IGFET, InsulatedGate FET) - bramka jest odizolowana od kanału; ze

względu na technologię wykonania rozróżnia się tranzystory:

MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET) wykonane z półprzewodnika

monokrystalicznego; ponieważ tutaj najczęściej rolę izolatora pełni tlenek krzemu SiO₂ (ang.

oxide), toteż tranzystory te częściej nazywa się MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET,

MOSFET) lub krócej MOS. Dodatkowo tranzystory MOS dzieli się na:

tranzystory z kanałem zubożanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest

otwarty;

tranzystory z kanałem wzbogacanym, w których przy braku napięcia bramka-źródło kanał jest całkowicie zatkany.

TFT (Thin Film Transistor) wykonane z półprzewodnika polikrystalicznego. Ponieważ tranzystory tego typu są wytwarzane w taki sam sposób, jak układy scalone cienkowarstwowe, toteż nazywane są tranzystorami cienkowarstwowymi. Dodatkowo ze względu na typ półprzewodnika (P lub N) w którym tworzony jest kanał rozróżnia się tranzystory z kanałem typu P lub kanałem typu N. •Napiecie progowe UP - napięcie jakie należy doprowadzić, aby przez tranzystor popłynął prad

•Napięcie odcięcia bramka-źródło UGS(OFF) , czyli napięcie jakie należy doprowadzić do bramki, aby przy ustalonym napięciu UDS nie płynął prąd drenu.

•Prąd nasycenia IDSS prąd drenu płynący przy napięciu UGS=0 i określonym napięciu UDS.

•Prąd wyłączenia ID(OFF) - prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem |UGS| > |UGs(oFF)|

•Rezystancja statyczna włączenia RDS(ON) - rezystancja między drenem a źródłem tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki ID = f(UDS) przy UGS=0;

•Rezystancja statyczna wyłączenia RDS(OFF) - rezystancja między drenem a źródłem tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia •Dopuszczalny prąd drenu IDmax •Dopuszczalny prąd bramki IGmax •Dopuszczalne napięcie dren-źródło UDSmax •Dopuszczalne straty mocy Ptot max

Zalety tranzystorów polowych:

-duża rezystancja wejściowa,

-małe szumy w porównaniu z tranzystorami bipolarnymi (w zakresie małych i średnich częstotliwości),

-możliwość autokompensacji temperaturowej,

-odporność na promieniowanie,

-małe wymiary powodują, że są one coraz powszechniej stosowane w układach analogowych i cyfrowych.

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 jest na 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, 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.

Tyrystory znalazły zastosowania w wielu dziedzinach. Jako sterowniki prądu stałego są stosowane w stabilizatorach napięcia stałego i w automatyce silników prądu stałego. Jako sterowniki prądu przemiennego - w automatyce silników indukcyjnych i w technice oświetleniowej. Jako łączniki i przerywacze prądu stałego i przemiennego - w automatyce napędu elektrycznego, układach stabilizacji napięcia i w technice zabezpieczeń. Jako przemienniki częstotliwości - w automatyce silników indukcyjnych, technice ultradźwięków oraz jako układy impulsowe - w generatorach odchylenia strumienia elektronowego w kineskopach telewizorów kolorowych, w urządzeniach zapłonowych silników spalinowych.

Najważniejszą charakterystyką tyrystora jest tzw. charakterystyka główna.

Elementami optoelektronicznymi nazywa się elementy, których podsta­wą działania jest zjawisko przetwarzania energii promieniowania optycznego w energię elektryczną (elektronów) lub odwrotne - przetwarzania energii elektr.

Jako fotodetektory są stosowane głównie elementy półprzewodnikowe: fotorezystory, fotodiody, fotoogniwa, fototranzystory i fototyrystory (zastoso­wanie fotokomórek próżniowych i gazowanych jest obecnie znikome). Pod­stawowymi w praktyce fotoemiterami są diody elektroluminescencyjne i lasery półprzewodnikowe. Oprócz nich jako źródła promieniowania służą luminofory (stosowane m.in. jako ekrany luminescencyjne w lampach oscyloskopowych i obrazowych), lampy żarowe (żarówki), a także inne rodzaje lamp: jarzeniowe, wyładowcze itp. W tej grupie zwykle klasyfikuje się również, tzw. wskaźniki optoelektroniczne, tj. elementy o złożonej strukturze przeznaczone do zobrazo­wania informacji w postaci cyfr, liter lub w inny sposób (paski, punkty). Nale­ży jednak zaznaczyć to, że nie wszystkie rodzaje wskaźników optoelektronicz­nych są źródłami promieniowania (światła), czego przykładem mogą być wska­źniki ciekłokrystaliczne, których działanie jest oparte na przepuszczaniu lub rozpraszaniu promieniowania.

Oddzielną grupę elementów optoelektronicznych tworzą tzw. trans-optory, tj. elementy służące do przesyłania sygnałów elektrycznych z wejścia do wyjścia za pomocą promieniowania optycznego. Transoptory zawierają we wspólnej obudowie sprzężoną optycznie, lecz odizolowaną elektrycznie, parę fotoemiter-fotodetektor. Do przesyłania sygnałów optycznych (fal ele­ktromagnetycznych o częstotliwościach optycznych) na duże odległości (kilka­dziesiąt i więcej kilometrów) wykorzystuje się światłowody. Układ optyczny złożony z fotoemitera, światłowodu i fotodetektora stanowi tzw. łącze op­toelektroniczne.

Dioda elektroluminescencyjna, dioda świecąca, LED (ang. light-emitting diode) - dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego i podczerwieni.

Fotorezystor (fotoopornik, fotoelement oporowy, opornik fotoelektryczny) jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora. Parametry fotorezystora:

czułość widmowa - zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Na wartość czułości wpływa rodzaj materiału i sposób jego domieszkowania - dobieranie ze względu na przeznaczenie fotorezystora. rezystancja fotorezystora

współczynnik n określany jako stosunek rezystancji przy danej wartości natężenia oświetlenia

Fotodioda - dioda półprzewodnikowa pracująca jako fotodetektor.

Fototranzystor - element optoelektroniczny złożony z trzech warstw półprzewodnika o kolejno zmieniających się typach przewodnictwa (n-p-n lub p-n-p). Łączy on w sobie właściwości fotodiody i wzmacniające działanie tranzystora

Ogniwo słoneczne, ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo fotoelektryczne, fotoogniwo to element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana energii promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego.

Transoptor - półprzewodnikowy element optoelektroniczny składający się z co najmniej jednego fotoemitera i co najmniej jednego fotodetektora umieszczonych we wspólnej obudowie.

Wzmocnienie - iloraz prądu wyjściowego do wejściowego, zwykle mniejsze od jedności napięcie przebicia izolacji między obwodem wejściowym i wyjściowym - od kilkuset V do kilkudziesięciu kV

8.1. Co to jest wzmacniacz?

Wzmacniacz jest układem, w którym kosztem niewielkiej energii elekt­rycznej można w sposób ciągły sterować wielokrotnie większą energią dostar­czaną z głównego źródła zasilania układu do obciążenia, czyli wzmacniać ste­rujący sygnał elektryczny.

8.2. Jak klasyfikuje się wzmacniacze?

Zależnie od zastosowanego elementu sterowanego, wzmacniacze dzieli się na lampowe oraz tranzystorowe. Przyjmując jako kryterium podziału zakres częstotliwości wzmacnianych sygnałów rozróżnia się wzmacniacze prądu stałe­go (wzmacniające sygnały od częstotliwości zerowej), małej częstotliwości (m.cz.) i wielkiej częstotliwości (w.cz.) - rys. 8.2A.

8.3. Jakimi parametrami charakteryzuje się właściwości wzmacniacza?

Do podstawowych parametrów charakteryzujących właściwości wzmacniacza zalicza się: wzmocnienie (mocy, napięcia i prądu), sprawność, impedancję wejściową i wyjściową, wejściowe i wyjściowe napięcia (lub moce) znamionowe, zakres częstotliwości wzmacnianych sygnałów (pasmo przeno­szenia), zakres dynamiczny wzmacniacza, poziom szumów własnych i nielinio­wość. Ponieważ większość tych parametrów zależy od częstotliwości, określa się więc w wielu przypadkach ich zależności częstotliwościowe.

KLASA PRACY WZMACNIACZY

Klasa	A	AB	B	C
Położenie punktu pracy	w środku pro­stoliniowej części cha­rakterystyki	przy końcu prostoli­niowej części cha­rakterysty­ki	na zagięciu prostolinio­wej części charaktery­styki	na lewo od zagięcia prostolinio­wej części charaktery­styki
Sprawoność Eta η	0,1 - 0,3%	0,3 - 0,4%	0,35 -- 0,8%	-
Współczyn­nik znie­kształceń nielinio­wych kf	5 - 1 0%	30 - 40%	30 - 50%	-

8.23 Jaki wzmacniacz jest nazywany wzmacniaczem prądu stałego?

Wzmacniaczem prądu stałego nazywany jest taki wzmacniacz, w któ­rym oprócz składowych zmiennych sygnału jest wzmacniana również jego skła­dowa stała. Powszechnie używane określenie „wzmacniacz prądu stałego" wskazuje więc tylko na zasadniczą cechę wzmacniacza, jaką jest zdolność wzmacniania również sygnałów stałych, i nie jest zawężone wyłącznie do wzmacniaczy prądowych, lecz dotyczy także wzmacniaczy napięciowych.

8.27. Co to jest wzmacniacz operacyjny?

Jest to wzmacniacz prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu.

8.28. Jakie parametry powinien mieć idealny wzmacniacz operacyjny?

Idealny wzmacniacz operacyjny powinien charakteryzować się nastę­pującymi właściwościami:

- nieskończenie dużym wzmocnieniem przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (A₀ => ∞);

- nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia (od 0 do ∞);

- zerową rezystancją wyjściową (R₀ => 0) i nieskończenie dużą rezys­tancją wejściową (R₁ => ∞) przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego;

- napięciem wyjściowym równym zeru przy zerowej wartości różni­cowego napięcia wejściowego, czyli zerowym napięciem niezrównoważenia

(U_IO => 0).

9.1. Co to jest generator?

Generator jest układem elektronicznym wytwarzającym (generującym) sygnał elektryczny o wartości zmieniającej się w czasie, czyli sygnał zmienny.

9.2. Jakie są podstawowe rozwiązania układowe generatorów?

Pod względem budowy i zasady działania rozróżnia się trzy podstawo­we rodzaje generatorów:

generatory, w których jest wykorzystywane zjawisko niestabilności wzmacniacza objętego pętlą dodatniego sprzężenia zwrotnego;

generatory z elementami aktywnymi charakteryzującymi się ujem­ną rezystancją dynamiczną;

generatory, w których jest wykorzystywane zjawisko cyklicznego ładowania i rozładowania kondensatora przez element kluczujący (np. tranzys­tor jednozłączowy), po osiągnięciu przez kondensator pewnych progowych wartości napięcia.

Generatory relaksacyjne wytwarzają przebiegi niesinusoidalne, np. prostokątne, trójkątne, piłokształtne, a więc przebiegi okresowe o dużej zawar­tości harmonicznych częstotliwości podstawowej. Ich zasada działania jest oparta na zjawisku cyklicznego ładowania i rozładowania kondensatora, wspomaganym często silnym dodatnim sprzężeniem zwrotnym.

9.13. Jakie są podstawowe układy generatorów sinusoidalnych RC?

W generatorach sinusoidalnych RC, pracujących w układzie wzmac­niacza z dodatnim sprzężeniem zwrotnym, jako układy ustalające częstotliwość generowanego przebiegu, czyli zapewniające spełnienie warunku fazy tylko dla wybranej częstotliwości, są stosowane przesuwniki fazy lub filtry pasmowe RC. Generator o schemacie blokowym z rys. 9.13a składa się ze wzmacniacza od­wracającego fazę oraz przesuwnika fazowego RC, którego funkcję może pełnić drabinkowy filtr RC górno- lub dolnoprzepustowy, odwracający fazę o dalsze 180° lub filtr pasmowozaporowy typu „podwójne T". W układzie z rys. 9.13b należy natomiast zastosować układ RC nie przesuwający fazy tylko dla jednej określonej częstotliwości. Właściwości takie ma np. filtr pasmowoprzepustowy (filtr Wiena), stanowiący dwie gałęzie rezystancyjno-pojemnościowe układu zwanego mostkiem Wiena. Generatory z obwodami RC są stosowane w za­kresie częstotliwości od części herca do kilkuset kiloherców. Sprzężenie zwrotne (ang. _ feedback) - oddziaływanie sygnałów stanu końcowego (wyjściowego) procesu (systemu, układu), na jego sygnały referencyjne (wejściowe). Polega na otrzymywaniu przez układ (proces, system) informacji o własnym działaniu (o wartości wyjściowej). Matematycznym, jednoznacznym opisem bloku gałezi zwrotnej jest transmitancja. Informacja ta jest modyfikowana przez transmitancję bloku gałęzi zwrotnej lub też nie (w szczególnym idealnym przypadku).

Wyróżnia się sprzężenie zwrotne dodatnie, DSZ - gdy sygnał z gałęzi zwrotnej dodaje się do wartości referencyjnej w węźle sumacyjnym oraz sprzężenie zwrotne ujemne, USZ - gdy sygnał z gałęzi zwrotnej odejmuje się w węźle sumacyjnym od wartości referencyjnej.

Sprzężenie zwrotne ujemne stanowi fundamentalny mechanizm samoregulacyjny. Z cybernetycznego punktu widzenia ma ono za zadanie utrzymanie wartości jakiegoś parametru na zadanym poziomie. Zachodzi ono wtedy, gdy jakiekolwiek zaburzenia powodujące odchylenie wartości parametru od zadanej wartości w którąkolwiek stronę indukują działania prowadzące do zmiany wartości parametru w stronę przeciwną (stąd nazwa "ujemne"), a więc do niwelacji (kompensacji) efektu tego odchylenia.

Mówiąc obrazowo: wartość parametru sprzężonego ujemnie zachowuje się jak niewielka kulka na dnie półkulistego zagłębienia: każde wytrącenie jej z równowagi powoduje powtórne staczanie się w kierunku najniższego punktu, pośrodku zagłębienia. W przypadku sprzężenia zwrotnego ujemnego wartość parametru oscyluje więc wokół wartości zadanej.

Sprzężenie zwrotne dodatnie polega na tym, że w sytuacji zakłócenia jakiegoś parametru w układzie, układ ten dąży do zmiany wartości parametru w kierunku zgodnym (stąd -"dodatnie") z kierunkiem, w którym nastąpiło odchylenie od "zadanej" wartości. Sprzężenie zwrotne dodatnie powoduje zatem narastanie odchylenia.

Mówiąc obrazowo: wartość parametru sprzężonego dodatnio zachowuje się jak niewielka

kulka na szczycie półkulistego wzniesienia: każde wytrącenie jej z równowagi powoduje

coraz szybsze staczanie się w kierunku, w którym nastąpiło wytrącenie, aż do wypadnięcia

kulki poza układ (o ile nie zadziała odrębny bodziec hamujący). W sprzężeniu zwrotnym

dodatnim wartość parametru odchyla się więc od wartości "zadanej" tym szybciej, im dalej

już się od niej znajduje.

Sprzężenie zwrotne dodatnie stosuje się w:

generatorze drgań

detektorze reakcyjnym

detektorze superreakcyjnym

mnożniku dobroci

przerzutniku

11.1. Co to są układy cyfrowe?

Układami cyfrowymi nazywa się układy przeznaczone do przetwarza­nia, pamiętania lub przesyłania informacji cyfrowej, tzn. informacji zawartej w sekwencji sygnałów o dwóch wartościach napięcia, którym są przyporząd­kowane wartości liczbowe 0 lub 1. Są to zatem układy, których działanie może być formalnie opisywane ciągami lub zbiorami cyfr 0 lub 1, a więc liczbami dwójkowymi. Ponieważ do opisu i analizy właściwości układów cyfrowych jest stosowany aparat pojęciowy logiki matematycznej (algebry Boole'a), to układy te są nazywane również układami logicznymi.

11.3. Jakie są podstawowe elementy układów cyfrowych?

Podstawowymi elementami układów cyfrowych są bramki realizujące proste funkcje logiczne. Bramki są głównymi elementami logicznymi, z których są budowane kombinacyjne układy cyfrowe. Podstawowymi bramkami są ele­menty realizujące funkcje logiczne sumy, iloczynu i negacji. W układach cyf­rowych bardzo użyteczne są również bramki realizujące funkcje negacji sumy i negacji iloczynu oraz funkcje nietożsamości i tożsamości. Funkcje te dla dwóch argumentów zostały zdefiniowane w tab. 11.3. Jednoargumentową funkcję ne­gacji zdefiniowano dla argumentu A.

W celu zrealizowania dowolnej funkcji logicznej trzeba dysponować tzw. funkcjonalnie pełnym zbiorem elementów logicznych. Podstawowe bram­ki AND, OR i NOT tworzą właśnie podstawowy funkcjonalnie pełny zbiór elementów logicznych. Zbiory funkcjonalnie pełne tworzą także bramki NAND oraz NOR. Za pomocą bramek NAND lub tylko bramek NOR moż­na bowiem zrealizować dowolną kombinacyjną funkcję logiczną.

Opis działania bramek zrealizowanych fizycznie w postaci odpowied­nich układów elektrycznych jest związany z poziomami sygnałów o dwu wy­raźnie różniących się wartościach napięcia L i H. Funkcja logiczna, jaka może być realizowana w danym układzie elektrycznym, zależy od przyjętej konwen­cji logiki - dodatniej lub ujemnej (rys. 11.3). Gdy przyjmie się dla danej tablicy poziomów napięć konwencję dodatnią (H => 1, L => 0), wówczas układ jest identyfikowany jako NOR, natomiast przy zastosowaniu konwencji ujemnej (H => 0, L => 1) - jako NAND.

11.4. Co to są przerzutniki?

Przerzutnikiem nazywa się układ mający dwa stany równowagi trwa­łej, przy czym w każdym z tych stanów przerzutnik może pozostawać dowolnie długo, natomiast przejście z jednego stanu równowagi do drugiego następuje tylko pod wpływem zewnętrznego sygnału wyzwalającego. W technice cyfro­wej przerzutnik spełnia funkcję elementarnego układu pamięciowego.

Licznik elektroniczny - układ cyfrowy, którego zadaniem jest zliczanie wystąpień sygnału zegarowego.

Rejestrem nazywamy układ służący do przechowywania i odtwarzania informacji w postaci bitów. Na każdej pozycji rejestru przechowywany jest jeden bit informacji. ransistor-transistor logic (TTL) to klasa cyfrowych układów scalonych.

Zapoczątkowana przez Texas Instruments w 1962 w rodzinie 7400 TTL była pierwszą techniką masowej produkcji układów scalonych, i nadal jest w szerokim użyciu. Układy TTL zbudowane są z tranzystorów bipolarnych i zasila się je napięciem stałym 5 V. Sygnał TTL jest niski (logiczne "0"), gdy potencjał ma wartość od 0 V do 0,8 V w odniesieniu do masy, wysoki (logiczna "1") przy wartości potencjału między 2 V a 5 V. CMOS (ang. Complementary MOS) - technologia wytwarzania układów scalonych, głównie cyfrowych, składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa i połączonych w taki sposób, że w ustalonym stanie logicznym przewodzi tylko jeden z nich.

Układ Darlingtona - układ wzmacniacza na tranzystorach bipolarnych o szczególnie dużym wzmocnieniu, w którym emiter tranzystora w stopniu wstępnym połączony jest galwanicznie z bazą drugiego stopnia wzmacniającego, a kolektory obu tranzystorów są połączone ze sobą. Prąd emitera pierwszego tranzystora równy jest więc prądowi bazy drugiego, a prądy kolektorów obu tranzystorów sumują się.

---