Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły

Elektronika
Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W10) Szkoły Policealnej Zawodowej.
Zadania elektroniki:
Urządzenia elektroniczne służą do przetwarzania i przesyłania
informacji w postaci analogowej i cyfrowej oraz do przekształcania
energii elektrycznej (energoelektronika).
Półprzewodniki samoistne i niesamoistne
Półprzewodniki wykazują własności pośrednie między przewodnikami
i dielektrykami. Przewodzą one prąd pod wpływem takich czynników,
jak temperatura, promieniowanie elektromagnetyczne czy domieszki
innych materiałów.
Możemy podzielić je na:
• Półprzewodniki samoistne do których zaliczamy german i krzem
• Półprzewodniki niesamoistne, w których liczbę swobodnych
nośników
ładunku
elektrycznego
zwiększono
poprzez
zastosowanie domieszek.
W zależności od rodzaju domieszki, półprzewodniki niesamoistne
dzielimy na:
półprzewodniki typu N (negative) - domieszkowane
atomami pierwiastka pięciowartościowego (np. arsenem,
antymonem, fosforem) - donorowe
półprzewodniki typu P (positive) – domieszkowane
atomami pierwiastka trójwartościowego (np. glinem lub
borem) - akceptorowe
Elementy elektroniczne i ich zastosowanie.
Elementy stosowane w elektronice w większości oparte są na
technologii półprzewodnikowej.
Możemy podzielić je na:
• diody
• tranzystory
• tyrystory
• elementy optoelektroniczne
• rezystory, kondensatory, cewki
Diody:
Są wykonane w postaci pojedynczego złącza NP
Dioda posiada anodę i katodę.
Prąd przewodzi jedynie w jednym kierunku (od anody do katody).
Wtedy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia.
Przy przeciwnej polaryzacji napięcia następuje polaryzacja diody w
kierunku zaporowym i dioda nie przewodzi prądu.
Możemy podzielić je między innymi na:
• prostownicze wykorzystywane do
• Zenera
• impulsowe
• pojemnościowe (warikapy)
Tranzystory:
Tranzystor jest elementem wzmacniającym sygnał elektryczny.
Tranzystory możemy podzielić na:
• bipolarne
• unipolarne (polowe)
Tranzystory bipolarne składają się z 3 naprzemiennych warstw
półprzewodników.
W
zależności
od
kolejności
tych
półprzewodników rozróżniamy tranzystory:
• NPN
• PNP
Tranzystor taki posiada 3 wejścia:
• bazę,
• kolektor,
• emiter
Sterowanie tranzystorem odbywa się za pośrednictwem bazy, której
prąd jest następnie wzmacniany na złączu kolektor-emiter.
Działanie tranzystora opisuje rodzina charakterystyk. Najważniejsza z
nich jest charakterystyka zależności prądu kolektora z zależności od
napięcia kolektor-emiter. Zawiera ona kilka wykresów zależnych od
prądu bazy.
Tranzystory unipolarne posiadają wejścia nazywane: dren, źródło i
bramkę. Są sterowane za pośrednictwem napięcia bramki. Napięcie
to odpowiednio poszerza lub zwęża kanał między źródłem a drenem
poprzez oddziaływanie pola elektrycznego.
Tranzystory te występują również jako PNP lub NPN.
Tyrystory:
Można je określić jako diody załączalne. Są zbudowane z 4 warstw
półprzewodnika. Posiadają podobnie jak dioda anodę i katodę, oraz
bramkę załączającą. Stosowane głównie w energoelektronice dla
dużych prądów i napięć.
Przy podaniu impulsu na bramkę tyrystor załącza się. Żeby go
wyłączyć trzeba doprowadzić do jego polaryzacji w kierunku
zaporowym.
Obecnie są znane i stosowane tyrystory wyłączalne IGBT.
Elementy optoelektroniczne:
Są elementami sterowanymi natężeniem światła. Wyjątkiem są
diody LED i lasery półprzewodnikowe, które same są źródłem
światła.
Wyróżniamy:
• fotorezystory (ich rezystancja maleje wraz ze wzrostem
natężenia światła)
• fotodiody (wartość prądu wstecznego zależy od strumienia
światła)
• fototranzystory (rolę bzy spełnia strumień światła)
• diody elektroluminescencyjne – LED (emitują światło podczas
przepływu prądu w kierunku przewodzenia)
• lasery półprzewodnikowe (bazują na technologii LED)
• transoptory (wykorzystują światło do separacji obwodów
elektrycznych)
Układy elektroniczne
Układy elektroniczne możemy podzielić na:
• analogowe (sygnał elektroniczny ciągły)
• cyfrowe (sygnał elektroniczny dwupoziomowy, zero – jedynkowy)
Ze względu na ilość elementów umieszczonych we wspólnej obudowie i
tworzącej określoną strukturę mówimy o układach scalonych. Są one
montowane w ujednoliconej obudowie, choć zawierają często
różnorodne elementy o wielu zastosowaniach.
Układy scalone określa ich kala integracji:
• mała (do 100 elementów)
• średnia (100 – 1000 elementów)
• duża (1000 – 100000 elementów)
• bardzo duża (powyżej 100000 elementów)
Układy analogowe:
Najczęściej stosowanymi układami analogowymi są:
• prostowniki (zamieniają napięcie przemienne na stałe)
• falowniki (zamieniają napięcie stałe na przemienne)
• zasilacze (dostarczają do układu napięcie niezbędne do jego
funkcjonowania)
• stabilizatory (zapewniają stały poziom napięcia lub prądu
niezależnie od obciążenia)
• wzmacniacze (wzmacniają dostarczony sygnał)
• generatory (wytwarzają przebiegi okresowe o określonych
parametrach)
Prostowniki:
Możemy je podzielić na niesterowane i sterowane.
W celu wygładzenia napięcia wyprostowanego, często stosuje się
filtry z kondensatorami.
Zasilacze:
W zasadzie najczęściej są to układy wykorzystujące układ
prostownika
i
zawierające
jednocześnie
transformator
przystosowujący napięcie sieci do napięcia na wyjściu zasilacza oraz
filtry wygładzające napięcie. Często zawierają również układy
stabilizujące napięcie wyjściowe.
Układ zasilacza
Stabilizatory:
Mają na celu ustalenie napięcia lub prądu na wyjściu zasilacza tak,
żeby nie zmieniały się pod wpływem zmian obciążenia zasilacza.
Wzmacniacze:
Ich celem jest wzmocnienie sygnału wejściowego do wymaganego
poziomu.
Rozróżniamy:
• wzmacniacze prądu
• wzmacniacze napięcia (o bardzo małej mocy wyjściowej)
• wzmacniacze mocy (o dużej mocy wyjściowej)
W celu poprawy parametrów wzmacniacza możemy zastosować tzw.
sprzężenie zwrotne, polegające na podaniu na wejście sygnału
wyjściowego.
Wzmacniacz mocy w układzie Darlingtona
Wzmacniacze operacyjne:
Generatory:
Wytwarzają drgania elektryczne o określonej częstotliwości i kształcie.
Najczęściej spotykane przebiegi to: sinusoidalne, prostokątne i
piłokształtne.
Układy cyfrowe:
Pracują w zakresie sygnałów zero – jedynkowych. Sygnały te najczęściej
są związane z napięciem i tak „0” odpowiada napięciu 0 - 0.4 V, a
„1” odpowiada napięciom od 3.6 - 6 V. Przy czym poziom „1” logicznej
może być różny w zależności od rodzaju układu.
Podstawowymi elementami logicznymi są bramki logiczne:
• NOT
• OR
• NOR
• AND
• NAND
• EXOR
Z bramek tych składają się coraz bardziej złożone struktury, od
najprostszych do mikroprocesorów wysokiej skali integracji włącznie.
Proste układy logiczne:
• przerzutniki (synchroniczne i asynchroniczne)
• rejestry
• liczniki
• układy arytmetyczne (sumatory, komparatory)
• multi i demultipleksery
• konwertery kodu
• pamięci cyfrowe
Dane opracowywane przez układy cyfrowe zapisujemy w postaci
binarnej wykorzystując słowa 8, 16, 32 lub 64 bitowe.
Rys. Bramki logiczne
Omawiane powyżej elementy elektroniczne znajdują szerokie
zastosowanie w telekomunikacji, radiofonii, telewizji, do zapisu
dźwięku, obrazu i danych w formie magnetycznej lub optycznej oraz w
systemach komputerowych.
Literatura:
J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999