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