Historia elektroniki. Elementy bierne.

Transkrypt

Politechnika Wrocławska
Instytut Telekomunikacji, Teleinformatyki i Akustyki
Zarys historii elektroniki
Wrocław 2014
ELEKTRONIKA - początek
pierwszy kalkulator (ok.1500)??
1
Radio 1900 ??
Nicola Tesla
1856 - 1943
Radio - metoda przekazu informacji na
odległość za pomocą fal radiowych.
Radio 1900 ??
Guliemo Marconi
1874 - 1937
2
ELEKTRONIKA
Elektronika to dziedzina techniki, nauki zajmująca
się praktycznym zastosowaniem zjawisk związanych
z dającym się sterować ruchem elektronów w próżni,
gazach i półprzewodnikach.
ELEKTRONIKA
Odkrycie elektronu
Najmniejsza porcja elektryczności = ELEKTRON
Odkrycie elektronu (1897)
Joseph J.Thomson
(1856-1940)
Nagroda Nobla 1906
3
ELEKTRONIKA
Lampy elektronowe
Termin „elektronika” pojawił się na początku XX wieku dla
opisania zastosowań lamp elektronowych.
Lampa katodowa (protoplasta kineskopu) --- Karl F. Braun
(1897r.)
ELEKTRONIKA
Lampy elektronowe
Dioda próżniowa (zawór elektryczny) -- Ambrose Fleming (1904r.)
4
ELEKTRONIKA
Lampy elektronowe
Trioda próżniowa
Lee de Forest (1906r.)
ELEKTRONIKA
Lampy elektronowe
Trioda próżniowa
5
ELEKTRONIKA
Lampy elektronowe
http://vimeo.com/28565075
ELEKTRONIKA
Rozwój radiotechniki
Pojawienie się lamp zapoczątkował rozwój radiotechniki i TV
lampy wieloelektrodowe i elektronopromieniowe:
tetroda (1919), pentoda(1927),
lampy obrazowe (tv) i analizujące (kamera).
elektroniczny system telewizyjny (1927)
Termin „elektronika” ugruntował swoje znaczenie stając się
nazwą miesięcznika wydawanego przez znane wydawnictwo
McGraw-Hill.
6
ELEKTRONIKA
Tranzystor bipolarny (1947)
JOHN BARDEEN,
WALTER BRATTAIN,
WILLIAM SHOCKLEY
ELEKTRONIKA
Lata 40 - 50
Elektronika już w latach 40 uznana zostaje za strategiczną dziedzinę.
W połowie stulecia decyduje o burzliwym rozwoju
- radiotechniki,
- teletechniki,
- telewizji,
- metrologii elektronicznej,
- automatyki,
- maszyn matematycznych (komputerów).
Tranzystor zwiększa tempo wprowadzania elektroniki w różne dziedziny życia.
Urządzenia stają się bardziej niezawodne, miniaturowe, tańsze.
7
ELEKTRONIKA
Tyrystor, układ scalony, laser
1950r. – pierwszy komputer UNIVAC I
ELEKTRONIKA
Tyrystor, układ scalony, laser
1956r. – tyrystor - sterowanie urządzeń dużych mocy
1958r. – pierwszy układ scalony (Jack Kilby) [1961r. – komercyjna produkcja]
1960r. – tranzystor polowy MOS
1962r. – laser półprzewodnikowy – systemy łączności z kanałami o b. dużych
pojemnościach.
Rozwój techniki laserowej otwiera nową epokę w mikromechanice, biologii,
medycynie.
Równoległy rozwój techniki lampowej – kolorowa TV (1956r.)
8
ELEKTRONIKA
Mikroelektronika
Pierwszy sterowany elektronicznie robot przemysłowy(1962)
Pierwszy działający satelita telekomunikacyjny –Telstar(1962)
ELEKTRONIKA
Mikroelektronika
Pierwszy popularny mikrokomputer
PDP-8(1963)
Pierwsza transmisja radiowa
z Księżyca(1969)
9
ELEKTRONIKA
Mikroelektronika
Mikroprocesor (1971) – 2300 tranzystorów w monolitycznym kawałku krzemu
Mikroprocesor (1997) – 7,5mln tranzystorów
Mikroprocesor (2000 - ....) – minimalna długość kanału tranzystora
2005 – 65 nm
2008 – 45 nm
2011 – 32 nm > 2mld tranzystorów w mikroprocesorze
2012 – 22 nm
2022 – 11 nm
ELEKTRONIKA
Przyszłość….GRAFEN??
Andre Geim; Konstantin Novoselov
Bardzo dobry przewodnik ciepła – ok.5000 W/mK
(diament 1500W/mK, srebro, miedź ok..400W/mK),
Niewielka rezystancja
Bardzo wysoka ruchliwość elektronów w
temperaturze pokojowej µ = 200 000 cm²/Vs
(krzem – 1500 cm²/Vs, arsenek galu – 8500 cm²/Vs)
Prędkość elektronów, wynosząca 1/300 prędkości
światła
10
ELEKTRONIKA
Niemal
całkowicie
przezroczysty
(pochłania
tylko 2,3% światła)
Ponad 100 razy mocniejszy
niż stal o tej samej grubości,
Elastyczny - można go bez
szkody rozciągnąć o 20%.
ELEKTRONIKA
Zastosowanie:
Szybkie procesory,
Energooszczędne źródła światła.
Czujniki z grafenu potrafią zarejestrować
obecność pojedynczej cząsteczki substancji.
Elektrony
poruszają
się
w
grafenie
z prędkością sięgająca 1/300 prędkości światła,
pozwala to wykonywać wiele doświadczeń, które
dotąd wymagały użycia akceleratora.
11
Podstawowe elementy
bierne w elektronice
Wrocław 2015
Rezystor (opornik)
Podział
Najprostszy element bierny obwodu elektrycznego (elem. liniowy).
U
I
U = RI
Podział rezystorów:
Rezystory stałe - elementy o wartości rezystancji ustalonej w procesie wytwarzania i nie
podlegającej zmianie w czasie pracy
Rezystory zmienne - elementy charakteryzujące się zmiennością rezystancji.
nastawne, o konstrukcji umożliwiającej płynną, dokonywaną w sposób mechaniczny,
zmianę wartości rezystancji w obwodzie (potencjometry),
półprzewodnikowe (wytwarzane z półprzewodników) o rezystancji zmieniającej się
w znacznym przedziale wartości pod wpływem rozmaitych czynników zewnętrznych, są
to np. termistory, magnetorezystory, fotorezystory.
12
Rezystor (opornik)
Podział
Ważne znaczenie ma klasyfikacja objęta międzynarodowym systemem normalizacyjnym
(IEC), w której rezystory dzieli się na:
typu1, tj. wysokostabilne i precyzyjne,
typu2, tj. powszechnego stosowania.
Niekiedy wyróżnia się rezystory mające szczególnie kształtowane wartości niektórych
parametrów, przykładem mogą być rezystory:
wysokonapięciowe (> 1 kV),
wysokoomowe (> 10 MΩ),
dużej mocy (> 2 W),
wysokotemperaturowe (> 175°C),
precyzyjne (< 1%),
itp.,
Rezystor (opornik)
Parametry
•Rezystancja (0.1Ω – 10MΩ szeregi E12(10%) i E24(5%)
E3
50%
10, 22, 47
E6
20%
10, 15, 22, 33, 47, 68
E12
10%
10, 12, 15, 18, 22, 27,
33, 39, 47, 56, 68, 82
5%
10, 11, 12, 13, 15, 16,
18, 20, 22, 24, 27, 30,
33, 36, 39, 43, 47, 51,
56, 62, 68, 75, 82, 91
E24
13
Rezystor (opornik)
Parametry
•Moc (1/8 – 5W)
•Maksymalne napięcie (100V – 1000V)
•Stabilność termiczna (10ppm/deg – 500ppm/deg)
•Stabilność czasowa (np. 1%/1000h)
•Indukcyjność pasożytnicza
(indukcyjność doprowadzeń 6-8nH)
•Pojemność (0.1pF – 5pF)
•Nieliniowość (R=R(U) rzędu 0.01%/V)
Rezystor (opornik)
Oznaczenia
Oznaczenia rezystorów:
a) bezpośrednie zapisanie wartości na obudowie rezystora, występuje
w przypadku rezystorów przewlekanych,
- np. wartość 0.47 Ω zapisujemy 0.47 lub R47 lub 0E47
- np. wartość 4.7 Ω zapisujemy 4R7
- np. wartość 470 Ω zapisujemy 470 lub 470R lub k47
- np. wartość 4.7 k Ω zapisuje się 4.7k lub 4k7
- np. wartość 4.7M Ω zapisujemy 4M7 lub 4.7M
14
Rezystor (opornik)
Oznaczenia
Rezystor (opornik)
Oznaczenia
c) kod paskowy – zakodowanie wartości za pomocą czterech, pięciu lub sześciu
kolorowych pasków
15
Rezystor (opornik)
Model
C~0,5pF
R
L~5-10nH
C~0.5pF
C~0.5pF
Rezystor (opornik)
Przykładowe rezystory
16
Rezystor (opornik)
Rezystory powierzchniowe
Kondensator (pojemność)
Zbudowany jest z dwóch okładek (przewodników) rozdzielonych dielektrykiem
u(t)
i(t)
Podłączenie napięcia do okładek kondensatora powoduje zgromadzenie się na
nich ładunku elektrycznego. Po zaniku napięcia, ładunki utrzymują się na
okładkach siłami przyciągania elektrostatycznego.
Kondensator charakteryzuje pojemność określająca zdolność kondensatora do
gromadzenia ładunku:
Q
C=
U
t
i (t ) = C
du
1
; u (t ) = ∫ i (t )dt + u (o)
dt
C0
17
18
Kondensator
Parametry
•Pojemność (0.1pF – 5F; szeregi E6 – E12)
•Napięcie przebicia (5V – 10kV)
•Polaryzacja (dla kondensatorów elektrolitycznych !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!)
•Rezystancja upływu (0 - 10µA)
•Stratność (rodzaj dielektryka i upływność)
•Rezystancja szeregowa
•Stabilność termiczna (rodzaj dielektryka np. NP0….)
•Prąd maksymalny (szczególnie impulsowy)
•Indukcyjność doprowadzeń
Kondensator
Parametry
19
Kondensator
Parametry
Kondensator
Parametry
20
Kondensator
Parametry
Kondensator
Parametry
21
Kondensator
Parametry
Kondensator
Parametry
Dopuszczalne napięcie znamionowe – jest to chwilowa wartość sumy napięcia stałego i amplitudy
napięcia zmiennego jaką można przyłożyć do końcówek kondensatora nie powodując jego
uszkodzenia (przebicia warstwy dieelektryka). Wartość napięcia znamionowego zależy od typu
dieelektryka.
Wartość napięcia znamionowego podaje się wprost na obudowie kondensatora lub koduje za pomocą
litery.
22
Kondensator
Model
RU
C
RS
L
C~0.5pF
C~0.5pF
Kondensator
Przykładowe kondensatory
ceramiczne
styrofleksowe
23
Kondensator
polipropylenowe
tantalowe
Kondensator
elektrolityczne
24
Kondensator
Zakres pojemności
Kondensator
Rodzaje
Typ
kondensatora
Zakres
pojemności
Napięcie
przebicia [V]
Dokładnoś
ć
Mikowy
1 pFpF-0,01uF
100100-600
dobra
Ceramiczny
10pF10pF-luF
5050-30k
kiepska
Poliestrowy
0,001uF0,001uF50jiF
5050-600
Polistyrenowy
(styrofleksowy)
10pF10pF-2,7uF
Poliwęglanowy
Stałość
temperatempera
turowa
UpływUpływ
ność
Uwagi
mała
doskonały; dobry w
układach w.cz.
Zależy od
rodzaju
ceramiki
średnia
mały, niedrogi, bardzo
popularny
dobra
kiepska
mała
tani, dobry, bardzo
popularny
100100-600
b. dobra
dobra
b.mała
wysokiej jakości, o dużych
wymiarach, dobry do
filtracji sygnałów
100pF100pF-30uF
5050-800
b. dobra
znakomita
mała
wysokiej jakości, o
małych wymiarach
Polipropylenowy
100pF100pF-50uF
100100-800
b. dobra
dobra
b.mała
wysokiej jakości, mała
absorpcja dielektryczna
Teflonowy
1 nFnF-2uF
5050-200
b. dobra
najlepsza
b.b.mała
wysokiej jakości,
najmniejsza absorpcja
dielektryczna
25
Kondensator
Rodzaje
Stałość
temperatur
o-wa
wa
Typ
kondensatora
Zakres
pojemności
Napięcie
przebicia [V]
DokłaDokła
dność
UpływUpływ
ność
Uwagi
Szklany
10pF10pF-l000pF
100100-600
dobra
b.mała
duża stałość długoczasowa
pojemności
Porcelanowy
100 pFpF-0,1uF
5050-400
dobra
dobra
mała
dobry, duża stałość
długoczasowa pojemności
Tantalowy
0,1 uFuF-500uF
6-100
kiepska
kiepska
Elektrolityczny
aluminiowy
0,1uF0,1uF-1F
3-600
zła
okropna
b.duża
filtry w zasilaczach;
polaryzowany, krótki czas
życia
BuckBuck-up
0,1 FF-10F
1,51,5-6
kiepska
kiepska
mała
do podtrzymywania
zawartości pamięci; duża
rezystancja szeregowa
Olejowy
0,1 uFuF-20uF
200200-10k
mała
filtry wysokonapięciowe;
duże wymiary; długi czas
życia
Próżniowy
1 pFpF-5nF
2k2k-36k
b.mała
Układy w.cz.
duże pojemności,
polaryzowany, małe
wymiary; mała indukcyjność
własna;
Cewka (indukcyjność)
Jest elementem zdolnym do gromadzenia energii w wytwarzanym polu
magnetycznym.
u(t)
t
i (t ) =
1
di
u (t )dt + i (0); u (t ) = L
∫
L0
dt
i(t)
Zwój z drutu, który może być nawinięty
na rdzeniu z powietrzem lub innym
niemagnetycznym materiale, lub na
rdzeniu magnetycznym (żelazo, materiał
ferrytowy).
Zastosowanie
rdzenia
zwiększa
indukcyjność cewki.
26
Cewka (indukcyjność)
•Indukcyjność (szereg E12 tylko dla dławików małej dobroci)
•AL [nH/zw2] - stała rdzenia (L = AL• z2 )
•Rezystancja szeregowa - dobroć
•Naskórkowość
•Nieliniowość i histereza rdzenia, straty w rdzeniu
•Maksymalny prąd (nasycenie materiału rdzenia – Bmax=0,2 - 1.6T)
•Maksymalne napięcie pracy (przebicie międzyuzwojeniowe)
Cewka
Model
C
RS
C~0.5pF
L
C~0.5pF
27
Cewka
Transformator
Dwie cewki sprzężone magnetycznie (nawinięte na wspólnym rdzeniu)
tworzą transformator.
Cewka
Transformator
U 2 = N ⋅ U1
N=
N2
N1
Doprowadzanie do uzwojenia pierwotnego napięcia zmiennego U1 spowoduje
powstanie strumienia magnetycznego w rdzeniu. Strumień ten przenikając uzwojenie
wtórne, wyindukuje w nim napięcie zmienne U2. Napięcie to będzie miało taki sam
kształt jak napięcie w uzwojeniu pierwotnym, a amplitudę wprost proporcjonalną do
przekładni transformatora.
28
Cewka
Przykładowe cewki i transformatory
Bezpieczniki w aparaturze elektron.
29
Parametry
Napięcie znamionowe – największe napięcie (stałe lub zmienne) dla którego
można stosować dany bezpiecznik
Prąd znamionowy – prąd (roboczy), dla którego przystosowany jest bezpiecznik.
Jest mniejszy od maksymalnego prądu, który nie powoduje zadziałania
bezpiecznika.
Zdolność łączenia – najwyższa wartość prądu, który może być przerwany przez
bezpiecznik, przy danym napięciu, bez ryzyka wystąpienia przebicia lub stopienia
obudowy.
Prąd zadziałania IN – minimalna wartość prądu powodująca zadziałanie
bezpiecznika (przerwanie obwodu)
Parametry
Charakterystyka zadziałania – opisuje zależność pomiędzy szybkością
zadziałania bezpiecznika a wartością prądu:
- bezpieczniki szybkie – krótkim czasie zadziałania, stosowane w układach gdzie
przekroczenie prądu maksymalnego może uszkodzić układ
- bezpieczniki zwłoczne – zadziałanie bezpiecznika następuje po przepływie
prądu większego/równego prądowi zadziałania przez określony czas; stosowane
w układach gdzie występuje tzw. prądy rozruchowe, dużo większe od prądu
pobieranego przez układy podczas pracy normalnej
30
Parametry
FF – bardzo szybkie – zabezpieczają układy zawierające elementy
półprzewodnikowe przed zwarciami
F – szybkie – stosowane w układach, w których nie występują nagłe skoki
napięcia lub jako bezpieczniki główne
M – o średnim opóźnieniu zadziałania – używane w układach niskonapięciowych
i niskoprądowych
T – o opóźnionym czasie zadziałania – stosowane w układach z przełączanymi
prądami o powolnych czasach narostu i opadania
TT – z dużą zwłoką zadziałania – w układach z krótkotrwałymi prądami
rozruchowymi
Parametry
31
Obudowy
Obudowy SMD
32

Historia elektroniki. Elementy bierne.

Transkrypt

Podobne dokumenty

Półprzewodniki typu n i p. Złącze p-n

Wizja 2014 - Czesław M. Rodkiewicz Scholarship Foundation

Układy generacyjne. - Politechnika Wrocławska