Układy elektroniczne

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi elementami układów elektronicznych, ich budową, zasadą działania oraz wadami i zaletami tych układów.

Przygotowanie

Należy zapoznać się z budową i zasada działania podstawowych elementów układów elektronicznych

Przykładowe pytania kontrolne

1.     Wymienić z jakich elementów składają się układy elektroniczne

2.     Podać kilka zastosowań układów elektronicznych

3.     Opisać zasadę działania i zastosowanie diody

4.     Czym różni się dioda LED od fotodiody?

5.     Co to jest tranzystor?

Wprowadzenie

Układy elektroniczne składają się z wielu elementów różniących się konstrukcją i spełnianą  funkcją w układzie.

              oporniki

Rezystory są najczęściej spotykanymi elementami w układach elektronicznych. Składają się zwykle z korpusu izolacyjnego oraz z części oporowej wyprodukowanej z materiału o znanej oporności właściwej (ρ). Mają postać pręta, rurki, folii, warstwy powierzchniowej, lub drutu o pewnej długości (l) i powierzchni przekroju (S). Opisane to jest wzorem R = ρ l/S

Opornik - inaczej rezystor jest to dwukońcówkowy  element elektryczny bierny, którego podstawowym parametrem jest rezystancja R a pozostałe parametry pojemność i indukcyjność są nieistotne. Rezystor rzeczywisty jest przybliżeniem wyidealizowanego modelu oporu. Charakteryzowany jest przez podanie podstawowego parametru R. Jednostką miary rezystancji R jest 1 Ω. Jest to rezystancja, która przy napięciu o wartości 1 V odpowiada przepływowi ładunku 1 C/sek, czyli prądowi o wartości 1 A.

Przeznaczeniem rezystora jest włącznie znanej rezystancji do obwodu elektrycznego w celu ustalenia wartości natężenia prądu lub podziału napięcia wiąże się to z zamianą w rezystorze energii elektrycznej w ciepło (rozproszenie części energii elektrycznej).

Opornik, który ma rezystancję niezależną od prądu, napięcia i czynników zewnętrznych takich jak np. temperatura i światło, nazywany jest rezystorem liniowym, lub po prostu rezystorem. Jeśli rezystor zmienia swoją rezystancję w zależności od prądu, napięcia, lub jakiegoś czynnika zewnętrznego, to wówczas nazywamy go rezystorem nieliniowym, albo używamy nazwę wskazującą od czego zależna jest rezystancja.

Składa się z korpusu, części oporowej i pokrycia zabezpieczającego część oporową przed uszkodzeniem.

Moc wydzielona na rezystorze wynosi P=UI=U2/R=I2R, gdzie U i I oznaczają napięcie i natężenie prądu elektrycznego (dla prądu zmiennego są to odpowiednie wartości skuteczne): związek pomiędzy U, I oraz R określa prawo Ohma.

W rzeczywistym rezystorze dominującą wielkością jest rezystancja, posiada on jednak też pewną indukcyjność i pojemność, co zostało uwidocznione na schemacie zastępczym.

Schemat zastępczy rezystora rzeczywistego.

np. LR - indukcyjność szeregowa doprowadzeń, CR - pojemność równoległa międzykońcówkową.

Przykłady rezystorów:

Rezystory węglowe kompozytowe, lub masowe są starszym typem rezystora. Zbudowane są w postaci wałka, lub rurki węglowej z przylutowanymi wyprowadzeniami. Skład materiałowy części węglowej decyduje o wartości rezystancji. Zaletą tych rezystorów jest ich niska indukcyjność. Dlatego są one właściwe do zastosowań w układach przełączających. Inną ich zaletą jest to, że wytrzymują chwilowe przeciążenia bez uszkodzenia. Ich dużą wadą jest wysoka pojemność własna ok. 0,2-1 pF w zależności od typu i wartości rezystancji. Wysoka pojemność własna, która wynika z budowy cząsteczek węglowych ze środkiem wiążącym stanowi, że rezystory węglowe są mniej lub bardziej bezużyteczne przy częstotliwościach powyżej 5-10 MHz. Posiadają one wysoki współczynnik temperaturowy (-200 do - 2000 ppm/K), dużą zależność od napięcia (200-500 ppm/V), wysoki szum i złą stabilność długotrwałą.

Rezystory warstwowe węglowe, lub rezystory z warstwą węglową. Składają się z rurki ceramicznej, na której jest naparowana warstwa węgla o danej wartości rezystancji. W tej warstwie można wykonać nacięcia spiralne aż do 10 zwojów przy pomocy ostrza diamentowego, lub lasera, aby osiągnąć właściwą wartość rezystancji. Reaktancja tej indukcyjności, która wystąpi z powodu tej spirali jest niewielka w porównaniu z reaktancją, która wynika z pojemności własnej ok. 0,2 pF. Posiadają one wysoki współczynnik temperaturowy (-200 do -1 000 ppm/K). Zależność napięciowa jest poniżej 100 ppm/V. Poziom szumu jest dość wysoki, a stabilność długotrwała jest zła. Rezystory węglowe powierzchniowe są jednakże bardzo tanie w produkcji.

Rezystory warstwowe metalowe różnią się od węglowych tym, ze warstwa węgla została zastąpiona warstwą metalu. Proces produkcji jest podobny. Dobre właściwości dla wysokich częstotliwości ze względu na niską pojemność własną (poniżej 0,2 pF). Dla wysokich wartości rezystancji i przy wysokiej częstotliwości reaktancja może jednakże odgrywać pewną rolę. Współczynnik temperaturowy jest niski (5-100 ppm/K). Zależność od napięcia jest ok. 1 ppm/V, niski poziom szumów i dobra stabilność długotrwała. Wytrzymałość na przeciążenia impulsowe jest jednak niska, niższa nawet niż dla rezystorów warstwowych węglowych. Dlatego należy być ostrożnym z wymianą rezystorów węglowych na metalowe w zastosowaniach impulsowych.

Rezystor drutowy o opatentowanej konstrukcji. Ma wyjątkowo dobre parametry dotyczące tolerancji trwałości oraz stabilności. Rezystor jest hermetycznie zamknięty przed wpływem wilgoci. Uzyskuje się to przez usunięcie resztek wilgoci po nawinięciu, a następnie zalanie wodoodporną masą.

Termistor - rezystor półprzewodnikowy, którego rezystancja silnie zależy od temp.; stosowany m.in. do stabilizacji napięcia, pomiaru temp., jako detektor podczerwieni.

Na fotografii 1 i 2 przedstawiono widok rzeczywistych rezystorów.

              potencjometry

Potencjometr-rezystor suwakowy, nastawny, inaczej rezystor zmienny, w którym można zmieniać rezystancję przez zmianę położenia suwaka na części oporowej, dzielnik napięcia rezystancyjny o płynnie regulowanej przekładni. Ruchomy styk może poruszać się ruchem postępowym, obrotowym lub śrubowym. Jeden zacisk potencjometru połączony jest z elementem wykonanym z materiału o określonej oporności właściwej, po którym ślizga się styk połączony z drugim zaciskiem potencjometru, przy danym położeniu styku ślizgowego oporność potencjometru równa jest oporności elektrycznej jedynie tej części materiału oporowego, jaka zawarta jest pomiędzy pierwszym zaciskiem a stykiem ślizgowym.

Potencjometry są najbardziej znanymi czujnikami przesunięć liniowych i kątowych, których styk ślizgowy wykonuje inaczej zwany szczotką przyjmuje położenie odpowiadające przesunięciu mierzonemu.

              Potencjometry zbudowane są z cienkiego izolowanego drutu oporowego nawiniętego na izolowanej płytce lub pręcie. Styk ślizgowy przesuwa się po ścieżce powstałej przez zdjęcie z zewnątrz izolacji. Jeżeli potencjometr nawinięty jest na karkasie o stałym przekroju to rezystancja przypadająca na jednostkę jego długości jest stała i napięcie mierzone na styku ślizgowym będzie zmieniało się proporcjonalnie do zmian położenia styku ślizgowego. Jest to słuszne jedynie przy założeniu, że pomiar napięcia wyjściowego odbywa się bez poboru prądu, przyrządem pomiarowym o nieskończenie dużej rezystancji wewnętrznej. Jeżeli warunek ten nie jest spełniony to zależność ta staje się nieliniowa. Tolerancja rezystancji potencjometru na ogół nie ma większego znaczenia. W dzielniku napięcia najważniejsza jest proporcja miedzy rezystancjami po obu stronach ślizgacza. W układzie regulowanego rezystora tolerancja powoduje, że uzyskuje się różne maksymalne rezystancje, ale jeśli ślizgacz znajdzie się mniej więcej po środku ścieżki, to tolerancja nie ma tu większego znaczenia.

Potencjometr tablicowy jest przeznaczony do montażu np. na płycie czołowej. Montuje się go za pomocą nagwintowanego kołnierza i nakrętki: czasami montuje się go kątowo na płytce, a tylko oś przechodzi przez płytę czołową. Jest to potencjometr obrotowy ze ścieżką oporową w kształcie kolistym i posiada oś, która ruchem obrotowym przesuwa ślizgacz.

Przykładem nowoczesnych potencjometrycznych czujników liniowych są przetworniki potencjometryczne liniowe prezentowane przez firmę „Wobit”:

Jest to przetwornik typu CD18 o drodze pomiarowej 25 – 150 mm i rozdzielczości <0,01mm.  Ma on duży zakres temperatur pracy od -30° - +100°C. Żywotność urządzenia jest do 50 mil operacji.

Jest to przetwornik typu WGO10 o drodze pomiarowej 30 – 300 mm i rozdzielczości <0,01mm.  Ma on duży zakres temperatur pracy od -20° - +60°C. Żywotność urządzenia jest do 0,5/2 mln operacji. Są to urządzenia wysokiej klasy

              kondensatory

Kondensator – układ dwóch lub więcej przewodników (okładzin z metalu), odizolowanych od siebie dielektrykiem.

Kondensatory są to elementy elektryczne, których podstawowym parametrem użytkowym jest pojemność C wyrażana w faradach (F).

Kondensator służy do gromadzenia ładunków elektrycznych, przy czym w wyniku doprowadzenia napięcia na jego elektrodach pojawiają się ładunki równe co do wartości bezwzględnej, lecz o przeciwnych znakach. Doprowadzenie napięcia stałego U do końcówek kondensatora o pojemności C powoduje zgromadzenie w nim ładunku Q=C*U

Oznaczenia kondensatorów:

a) kondensator stały, b) kondensator elektrolityczny, c) kondensator zmienny, d) kondensator dostrojczy

O zdolności magazynowania ładunku, czyli o pojemności kondensatora decyduje powierzchnia elektrod i odległość między nimi. Większa powierzchnia i mniejsza odległość, daje wyższą pojemność. W celu zmniejszenia odstępu między elektrodami, stosuje się na izolatory materiały, które można wykonać w formie bardzo cienkiej folii np. tworzywa sztuczne, ceramikę lub warstwy tlenków. Materiały te charakteryzują się cechą fizyczną nazywaną przenikalnością elektryczną. Ujawnia się ona, gdy atomy umieszczone w polu elektrycznym ulegają polaryzacji w wyniku odkształcenia orbit elektronów na zewnętrznych powłokach. Powstają tak zwane dipole, które mogą się obracać i przyjmować ten sam kierunek, jaki ma pole elektryczne. W efekcie tego, zmniejsza się wpływ odległości między elektrodami i pojemność wzrasta. Ta cecha powoduje, ze materiał izolacyjny nazywa się dielektrykiem. Czynnikiem który w największym stopniu wpływa na pojemność kondensatora, poza powierzchnią i odległością elektrod, jest zdolność dielektryka (w ujęciu makroskopowym) do przyjęcia ujemnego ładunku w pobliże dodatniej elektrody, i dodatniego ładunku w pobliże elektrody ujemnej, co powoduje że wpływ odległości między elektrodami zmniejsza się.

Jednostką pojemności jest farad. Pojemność 1 farada posiada kondensator w którym ładunek 1 Coulomba powoduje powstanie napięcia 1 volta. Naładowanie i rozładowanie kondensatora zajmuje zawsze pewien czas. Zmiany ładunku wiążą się z kolei z przepływem prądu przez jakąś rezystancję. Najniższa rezystancja to rezystancja doprowadzeń elektrod. Przez stałą czasową t rozumiemy czas, który jest potrzebny żeby ładunek osiągnął 63,2% maksymalnego napięcia.

t = R C [s]

gdzie t podany jest w sekundach o ile R podane jest w Ohmach, a C w faradach. Przyjmuje się, ze kondensator jest całkowicie naładowany, po czasie 5 t.

Zmiany napięcia doprowadzonego do kondensatora wywołują zmiany ładunku kondensatora, w wyniku przez kondensator płynie prąd o natężeniu:

W szczególności doprowadzenie napięcia o kształcie sinusoidalnym powoduje przepływ przez kondensator prądu o takim samym kształcie. Prąd ten wyprzedza w fazie napięcie o pewien kąt .

Jeżeli kondensator byłby elementem idealnym, charakteryzującym się tylko pojemnością C , to kąt fazowy byłby równy p/2, czyli 90°. W rzeczywistym kondensatorze prąd wyprzedza w fazie napięcie o kąt mniejszy niż 90°. Jest to spowodowane stratami, które zmniejszają przesunięcie fazowe o kąt , nazywany kątem strat elektrycznych kondensatora. Kondensatory, obok rezystorów, są podstawowymi elementami biernymi obwodów elektrycznych.

Kondensatory ceramiczne są produkowane z jednej lub wielu płytek ceramicznych z nałożoną elektrodą metalową. Kondensator ceramiczny z pojedynczą warstwą dielektryka nazywany jest jednowarstwowym, "single plate" lub kondensatorem płytkowym. Gdy kondensator zbudowany jest z wielu warstw dielektryka i elektrod, nazywany jest wielowarstwowym albo kondensatorem monolitycznym. Podaż różnych mate­riałów i wykonań kondensatorów jest ogromna. Kondensatory ceramiczne produkuje się o pojemnościach od 0,5pF do wielu setek uF. Kondensatory powyżej 10 uF są jednak rzadko spotykane, ze względu na wysoką cenę.

Kondensatory z tworzywa sztucznego, w których warstwę dielektryka stanowi tworzywo sztuczne mają małe straty dzięki niskiej rezystancji elektrod i wysokiej rezystancji izolacji. Technologiczność konstrukcji umożliwia automatyzację produkcji i w efekcie niskie ceny. Są one niepolaryzowane (nie odgrywa roli, która z elektrod będzie dodatnia a która ujemna) i mają bardzo maty prąd upływu.

Używa się ich jako kondensatorów szeregowych lub blokujących w układach analogowych i cyfrowych, w obwodach czasowych i filtrach LC. Produkowane pojemności zawierają się w granicach od 10 pF do 100 pF.

              Elektrody wykonuje się w postaci folii metalowej lub folii metalizowanej. Folia metalizowana powstaje w wyniku naparowania próżniowego cienkiej warstwy metalu na dielektryk. Zaletą tego rozwiązania jest to, że przy przebiciu elektrycznym naparowany metal wyparowuje wokół miejsca przebicia i w ten sposób nie dochodzi do ewentualnemu zwarcia.

Kondensatory elektrolityczne aluminiowe mokre zawierają elektrolit złożony z kwasu borowego, glikolu, soli i rozpuszczalnika. Elektrody są wytrawione w kąpieli kwaśnej, w celu uzyskania powierzchni porowatej. W ten sposób powierzchnia wzrasta aż do 300 razy. Warstewka dielektryka (tlenku) na anodzie jest formowana (buduje się ją), w kąpieli z elektrolitem zawierającym wodę, do grubości ok. 13 A na każdy Volt napięcia, które ma on wytrzymać. Również katoda po­siada cienką (ok.40A) warstwę tlenku.

Aby zapobiec wzajemnemu kontaktowi warstw tlenku elektrod, które mogłyby przez to ulec uszkodzeniu, umieszcza się między nimi separator z cienkiego papieru. Obudowa kondensatora połączona jest do bieguna ujemnego. Obudowa nie może być jednak używana jako doprowadzenie. Warstwa tlenku ma charakterystykę nieliniową zbliżoną do dio­dowej. Maksymalne napięcie w kierunku zaporowym wynosi 1,5 V. O ile zostanie ono przekroczone, to następstwa mogą być fatalne.

Kondensatory tantalowe posiadają jako dielektryk tlenek tantalu, o znakomitych własnościach elektrycznych. Anoda kondensatora wykonywana jest metodą spieków proszkowych z tantalu. Ok. 50% objętości składa się z porów, co powoduje, że powierzchnia wewnętrzna jest 100 razy większa niż zewnętrzna. Po pokryciu warstwą tlenku tantalu w kwaśnej kąpieli formującej, elementy kondensatora zanurza się w roztworze dwutlenku manganu, który wypełnia wszystkie pory. Aby otrzymać kontakt z katodą, która składa się z przewodzącej farby srebrnej, pokrywa się element kondensatora warstwą węgla w postaci grafitu. Starsze typy kondensatorów tantalowych z mokrym elektrolitem w obudowie srebrnej, zostały zastąpione przez typy suche ze względu na wysokie koszty produkcji.

              Przykładem kondensatora jest kondensator polipropylenowy z końcówkami osiowymi.

              Jest to kondensator z wyprowadzeniami osiowymi z metalizowanym dielektrykiem polipropylenowym. Kondensator jest samonaprawialny ima niską impedancję. Jest bardzo dobry do zastosowań w urządzeniach audio.

              elementy indukcyjne

Elementy indukcyjne tj. cewki i dławiki stosuje się w obwodach, których własności zależą od częstotliwości. Zwykle wykonane są one w postaci pewnej ilości zwojów drutu miedzianego na­winiętego na rdzeniu magnetycznym, lub bez rdzenia. Produ­kuje się wiele różnych rodzajów elementów, o indukcyjności od kilku nanohenrów (nH) do dziesiątków henrów (H).

              Indukcyjność jest to cecha cewki, która przeciwdziała wszelkim zmianom płynącego przez nią prądu. Mechanizm ten wynika z działania siły elektromotorycznej (SEM) indukcji w cewce. Cewka o indukcyjności 1 H daje siłę elektromotoryczną 1 V, jeżeli prąd przepływający zmienia się z prędkością

1 A/s (1 H = 1 Vs/A).

              Cewka do regulatorów impulsowych. Jest to cewka nawinięta na ferrytowy rdzeń toroidalny. Przeznaczona głównie jako cewka akumulująca energię w regulatorach impulsowych. Może być także użyta jako dławik filtru przeciwzakłóceniowego wysokiej częstotliwości.

Osłonięte dławiki kompensujące, tłumiące zakłócenia asymetryczne. Do stosowania np. w filtrach sieciowych.

Elementy półprzewodnikowe, ich działanie oparte jest na zjawiskach wywołanych przepływem prądu w półprzewodniku. Do przyrządów półprzewodnikowych należą m.in. diody, fotodiody, diody LED tranzystory, termistory i układy scalone.

              diody

Dioda półprzewodnikowa- przyrząd półprzewodnikowy dwuelektrodowy o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej, dzięki czemu przepuszcza prąd elektryczny w jednym kierunku, natomiast w kierunku przeciwnym w minimalnym stopniu. Ze względu na konstrukcje rozróżnia się diody półprzewodnikowe ostrzowe, prostujące za pomocą złącza metal - półprzewodnik oraz diody warstwowe, których prostowanie odbywa się za pomocą złącza p-n o dużej powierzchni. Ze względu na zastosowanie wyróżnia się diody półprzewodnikowe prostownicze, detekcyjne i mieszane, impulsowe, stabilizacyjne i generacyjne.

Podstawowym elementem składowym każdej diody jest złącze P-N. Przewodzi ono prąd w jednym kierunku i nie przewodzi w drugim. W rezultacie nadaje się doskonale do prostowania prądu zmiennego, co też jest najczęstszym jej zastosowaniem. Do innych celów stosuje się wiele diod różniących się odpowiednim doborem parametrów złącza p-n

              Diody półprzewodnikowe wytwarza się  z germanu lub krzemu. W radiotechnice i elektronice cyfrowej wykorzystuje się diody półprzewodnikowe wysokich częstotliwości i mikrofalowe diody półprzewodnikowe charakteryzujące się bardzo małymi pojemnościami złącza p-n.

Dioda krzemowa występuje najczęściej. Diody przeznaczone do pracy przy małych prądach mają napięcie progowe (spadek napięcia w kierunku przewodzenia) ok. 0,7 V, podczas gdy diody mocy mają napięcie progowe 1 V lub więcej. Gdy napięcie zaporowe ("odwrotne") przekroczy wartość katalogową, dioda ulega zniszczeniu.

Dioda Zenera zachowuje się w kierunku przewodzenia jak zwykła dioda, ale ma bardzo dokładnie określone napięcie przebicia w kierunku wstecznym. Diod tych używa się do pracy w kierunku zaporowym i wykorzystuje tzw. napięcie Zenera tj. napięcie, przy którym prąd wsteczny diody gwałtownie rośnie. Dlatego szeregowo z diodą Zenera należy włączać rezystor lub inny element ograniczający prąd.

Dobra dioda Zenera ma precyzyjnie określone napięcie przebicia. Charakterystyka diody w kierunku zaporowym musi wykazać bardzo wyraźne przegięcie. Poza tym zmiany napięcia Zenera w funkcji temperatury powinny być możliwie małe. Najlepsze parametry termiczne mają diody w zakresie napięć Zenera 5,6 - 6,2 V. Dla napięć niższych współczynnik temperaturowy napięcia Zenera jest ujemny, dla napięć wyższych dodatni.

Diody pojemnościowe, warikapowe lub waraktorowe, w których wykorzystuje się zjawisko zmiany pojemności złącz ...