Elektronika (konspekt)

Elektronika (konspekt)

Franciszek Gołek (golek@ifd.uni.wroc.pl) 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_rezL/R. Dodajmy, że w elektronice poza dobrocią układów rezonansowych mówi się o dobroci innych układów czy

elementów. Przykładowo dobroć cewki zdefiniowana jest jako stosunek:

ωL/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= ωCR.

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 = N₂/N₁ < 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= P².

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: N₂/N₁=U₂/ U₁=I₁/I₂ (U₁I₁≈U₂I₂). Przekrój rdzenia jest wprost proporcjonalny do pierwiastka z przekazywanej mocy S = c√P [cm²] (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. 10⁶) 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 1/2⁸ 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 × 10¹⁶ elektronów/m³ 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 10² 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 µm. Wgłębienie na ścieżce (o

wymiarach 0,5 µm 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_oC >>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 200Ω 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%.