Електроника 1 - 22261

АЛЕКСАНДРА РИСТИЋ

ОБРАЗОВНИ ПРОФИЛ ЕЛЕКРОТЕХНИЧАР ЕЛЕКТРОНИКЕ

ЕЛЕКТРОНИКА 1 УКРАТКО О КЊИЗИ Пред вама су изводи из уџбеника Електроника 1. Трудили смо се да: - Пратимо савремене токове електронике - Јасним, занимљивим језиком прилагођеним узрасту ученика приближимо и објаснимо градиво електронике, као и да кроз подсетнике успоставимо везу са претходно стеченим знањем, пре свега из области електротехнике.

Задаци, пројекти, тестови, занимљивости: - Уџбеник прати низ тестова, задатака и занимљивости из света електротехнике, који би требали да ученике подстакну на самосталан рад, а наставницима олакшају реализацију наставе.

Слика 1.4. - Први полупроводнички транзистор

Структура уџбеника: - Уџбеник је намењен образовном профилу електротехничар електронике четворогодишњег степена образовања, али је писан тако да се може користити и у образовном профилу трогодишњег степена образовања. У складу са планом и програмом предмета подељен је на 12 тематских целина: 1. Увод 2. Основи физике полупроводника 3. Диоде 4. Биполарни транзистори 5. Појачавачи с биполарним транзисторима 6. Транзистори с ефектом поља 7. Појачавачи с транзисторима с ефектом поља 8. Сложени појачавачи 9. Осцилатори 10. Транзистор као прекидач 11. Тиристори 12. Оптоелектроника

Слика 11.2.1. - (а) Структура тријака, (б) еквивалентна шема тријака, (в) шематски симбол тријака

Да проверимо знање Да се подсетимо! Кључни појмови Резиме Важно Пројектни задатак Да ли сте разумели лекцију? Да провежбамо неки задатак Занимљиво

1. Увод 1. Увод

Електроника је наука која проучава законитости и ефекте контролисаног протицања носилаца електрицитета (не искључиво електрона) кроз проводнике, полупроводнике, гасове и вакуум.

Електронски уређаји и системи састоје се од електричних компоненти које сте већ проучили (као што су отпорници, кондензатори, калемови....) и од електронских, полупроводничких компоненти које ћемо тек проучити (диоде, триоде, тетроде, пентоде........).

У првом периоду развоја електронике основни елементи у електронским колима биле су вакуумске или гасне електронске цеви ( диоде, триоде, тетроде, пентоде.......).

Слика 1.1 - Године 1904. Флеминг је направио прву вакуумску диоду.

Унутар цеви од стакла је вакуум да би се спречила оксидација катоде. Кроз једну електроду (катоду ) пропушта се струја, која се због тога загрева а електрони добијају довољну енергију да напусте електроду и нађу се у вакууму (ермоелектронска емисија). Друга електода ( анода) је позитивно наелектрисана и она привлачи емитоване електроне, чиме се остварује струјни ток унутар вакуумске цеви. На први поглед то изгледа бесмислено јер је проток електрона могуће добити и обичном проводном жицом. Међутим, ствар је у следећем: електрони могу да иду само у једном смеру, од катоде ка аноди, јер је анода хладна и нема емисије електрона с ње. То је као да имамо једну врсту вентила за електроне, који пропушта струју само у једном смеру. Видећемо касније какве све улоге таква компонента може да има у електроници и електронским колима.

ENIAC Први електронски рачунар - ENIAC ENIAC је био направљен од 17.468 вакуумских цеви, 7.200 кристалних диода, 1.500 релеја, 70.000 отпорника, 10.000 кондензатора и око 5.000000 ручно рађених спојева. Био је тежак око 27t и заузимао је 167m2. Трошио је 150 kW снаге. Данашњи рачунари имају радни такт од неколико GHz и масу мању од векне хлеба (чак <1kg ), као нпр., на слици 1.3. Слика 1.2. - ENIAC

Електоника 1

2. Основи физике полупроводника УВОД Да се подсетимо! Према својој проводности, електротехнички материјали се деле на три групе: проводнике, полупроводнике и изолаторе.

Полупроводнички материјали представљају основу савремене електронике тако да ћемо у наредним излагањима укратко размотрити њихове најважније особине, а што ће нам помоћи да разумемо рад основних полупроводничких компонената: диоде, биполарног транзистора и FET транзистора. Полупроводнички материјали могу да буду чисти, појединачни елементи или могу да буду полупроводничка једињења.

У прву групу тзв. елементарних полупроводника спада 12 елемената: бор (B), угљеник (C), сицилијум (Si), фосфор (P), сумпор (S), германијум (Ge), арсен (As), селен (Se), калај (Sn), антимон (Sb), телур (Te) и јод (J). Данас се од елементарних полупроводника скоро искључиво користи силицијум, док се арсен, фосфор и бор употребљавају за допирање силицијума, о чему ћемо причати мало касније.

Такође, нека једињења, посебно она формирана између чистих полупроводника (који припадају IV групи периодног система) и и елемената III и V групе периодног система, имају особине полупроводника. Најпознатије једињење међу њима је галијум-арсенид (GaAs), али су позната и друга полупроводничка једињења: InP, InSb, GaP, AlP, AlAs, GaSb итд.

2.3. ОСНОВНЕ КАРАКТЕРИСТИКЕ ПОЛУПРОВОДНИКА

На наредној слици приказани су атоми Si (силицијум), Ge (германијум) и C (угљеник).

Слика 2.3.1. - Атоми полупроводника с по 4 валентна електрона

Да ли бисте могли да одговорите на питање: Шта ти атоми имају заједничко?

Одговор је да сви имају по 4 валентна електрона!

Валентна орбита атома може имати до 8 валентних електрона и од њиховог броја такође зависи проводност материјала. Добри проводници, на пример, имају само 1 валентан електрон, док добри изолатори имају попуњену валентну орбиту (тј. у њој имају свих 8 електрона). Полупроводници се налазе негде у средини и имају 4 валентна електрона (каже се да су четворовалентни елементи).

Силицијум је данас најчешће коришћени полупроводник, па ћемо даље структуру полупроводника објаснити на његовом моделу.

Електоника 1

2. Основи физике полупроводника ПРОВЕРА ЗНАЊА - ТЕСТ

Електоника 1

3. Диоде 3.4.2. ЕКВИВАЛЕНТНЕ ШЕМЕ (ЕЛЕКТРИЧНИ МОДЕЛИ) ПОЛУПРОВОДНИЧКЕ ДИОДЕ

Еквивалентне шеме служе да њима заменимо сложене компоненте, као што су диоде или транзистори, у електричним колима приликом математичког одређивања напона и струја. Приликом пројектовања модела покушавамо да што реалније прикажемо све особине неке компоненте да би израчунате вредности биле што тачније. То наравно није у потпуности могуће, па електрични модели нису идеални, али су веома корисни кад се раде мање прецизни прорачуни.

3.4.2.1. Идеална диода

Идеална диода има особине идеалног прекидача. Када је директно поларисана, понаша се као кратак спој, па је (Ud = 0 и Id > 0), док је при инверзној поларизацији (Ud < 0) отворена веза и у колу нема струје, па је Id = 0. Овај модел даје задовољавајуће резултате када су напони у колу много већи од напона на диоди при директној поларизацији (око 0,7 V).

Слика 3.4.2.1.1.

- Модел идеалне диоде 3.4.2.2. Диода с константним падом напона

По овом моделу, при директној поларизацији се у обзир узима пад напона на диоди током пробођења (сматра се да је, кад диода проведе, напон на њој увек константан и једнак UD = 0,7 V). При инверзној поларизацији диода се моделује, као и идеална диода, с отвореном везом.

Слика 3.4.2.2.1.- Модел диоде с константним падом напона

Електоника 1

3. Диоде PN СПОЈ - ПРИМЕР

РЕЗИМЕ - ДИОДЕ (PN СПОЈ)

Електоника 1

4. Биполарни транзистори

Биполарни транзистор је полупроводничка компонента која, за разлику од диоде (која има један спој и две електроде, аноду и катоду), има 2 споја и 3 електроде: емитор, базу и колектор. Називи електрода нису случајно овако задати и објаснићемо их када будемо проучили како су биполарни транзистори конструисани и како раде.

Први транзистор настао је 1949. године када је Шокли (Schockley) уочио ефекат, који је касније назван транзисторски ефекат, као и велике могућности велике примене.

Назив ТРАНЗИСТОР настао је од енглеског назива TRANSfer resISTOR, што би могло да се преведе као преносни отпорник. Као и диода, и биполарни транзистор може да се користи као прекидач и као променљиви отпорник, али поред тих особина он има још једну особину која га чини најчешће коришћеном полупроводничком компонентом.Биполарни транзистор може да се користи као појачавач струје, напона или снаге.

4.4. РЕЖИМ ЗАСИЋЕЊА И РЕЖИМ ЗАКОЧЕЊА БИПОЛАРНИХ ТРАНЗИСТОРА Да се подсетимо! У претходним лекцијама детаљно смо обрадили активан режим рада транзистора, у ком је спој BE директно, а спој BC инверзно поларисан и у ком се испољавају појачавачка својства транзистора.

Слика 4.4.1. - Гомилање електрона у бази транзистора у засићењу

Уколико и спој постане директно поларисан (UBS >0), електрони, који су већински носиоци и у емитору и у колектору, гомилаће се у бази транзистора (сл. 4.4.1). Услед велике концентрације електрона као споредних носилаца наелектрисања у бази транзистора, смањује се струја колектора. Појачање базне струје више не износи неколико стотина пута као кад је активан режим, већ од 1 до 2 пута, а може се десити да базна струја буде већа од колекторске у случају дубоког засићења.

У режиму засићења транзистор се понаша као затворен прекидач чији су напони између BE и CE константни и обележавају се с UBES и UCES. Због нагомиланих наелектрисања у бази и јаког допирања емитора напон UBES је нешто већи од уобичајеног напона између BE и износи око 0,8 V. Због слабијег допирања колектора напон на споју BC је нешто мањи од напона UBES и износи око 0,6 V.

Напон споја је напон на затвореном прекидачу који би у идеалном случају био 0 а у реалном око 0,2 V. Њега можемо и да израчунамо коришћењем знања из основа електротехнике, и то на следећи начин:

Електоника 1

4. Биполарни транзистори

Слика 4.4.2. - Биполарни транзистор у засићењу као затворени прекидач

Када су оба споја транзистора инверзно поларисана, транзистор ради у режиму закочења. Тада су струје које протичу кроз транзистор једнаке инверзним струјама засићења оба споја, а оне се у силицијумским транзисторима могу занемарити. Зато се транзистор у закоченом режиму рада може посматрати као отворени прекидач кроз који су струје приближно једнаке 0.

Слика 4.4.3. - Биполарни транзистор у закочењу као отворени прекидач

Понекад је тешко одредити да ли је неки транзистор у активном режиму или у режиму засићења. У једној од наредних лекција објаснићемо како је могуће проверити у ком режиму рада одговарајући транзистор ради. З А Д А Ц И З А

В Е Ж Б А Њ Е

Електоника 1

4. Биполарни транзистори ПИТАЊА ЗА ПОНАВЉАЊЕ ГРАДИВА

ХЛАЂЕЊЕ ПОЛУПРОВОДНИЧКИХ КОМПОНЕНАТА И ПРОРАЧУН РАСХЛАДНОГ КОЛА Да се приликом рада компонента не би уништила када би њена температура порасла, она мора да буде способна да се брзо ослободи топлоте која се на њој развије. Зато се за компоненте које могу да се прегреју пројектују посебна расхладна тела којима се топлота у најкраћем могућем временском интервалу одводи с компоненте.

РЕШЕЊЕ ЗАДАТКА 1

Електоника 1

5. Појачавачи с биполарним транзисторима

Појачавач је електронско коло које повећава (или смањује) амплитуду сигнала доведеног на његов улаз (напона или струје), при чему не мења остале параметре сигнала (као што су фреквенција, таласни облик сигнала.....). Појачавачи представљају једна од најчешће коришћених кола у електроници и имају пуно различитих улога у електронским системима. Могу да буду појачавачи малих сигнала, великих сигнала, појачавачи снаге, операциони појачавачи.....Упознаћемо се прво с параметрима који карактеришу све појачаваче без обзира на њихову намену, а затим ћемо детаљно обрадити и пројектовати појачаваче с биполарним транзисторима као основним елементима. УЛАЗНА / ИЗЛАЗНА ОТПОРНОСТ ПОЈАЧАВАЧА

Улазна отпорност Rul дефинише се као количник улазног напона и улазне струје:

Улазна отпорност понекад се тешко одређује директно из ове формуле јер је струја у улазном колу веома мала (уколико је улазна отпорност велика, а то је чест случај). Зато се за одређивање улазне отпорности користи метод приказан на слици 5.1.3:

Слика 5.1.3. - Одређивање улазне отпорности појачавача

Овим поступком избегли смо мерење улазне струје, а мерењем напона и познавањем (или мерењем) вредности додатног отпорника добили смо вредност за улазну отпорност.

Излазна отпорност Riz дефинише се као количник излазног напона празног хода Uiz0 (када потрошач није прикључен) и излазне струје кратког споја Iizks (када се излазни крајеви кратко споје) :

Пошто је пракси често често опасно мерити струју кратког споја, излазна отпорност одређује се методом приказаном на слици 5.1.4.

Електоника 1

5. Појачавачи с биполарним транзисторима

Слика 5.1.4. - Одређивање излазне отпорности појачавача

Овим поступком смо мерењем напона Eiz и Uiz0 и познавањем (или мерењем) вредности отпорности потрошача добили вредност за излазну отпорност.

5.6. ФРЕКВЕНЦИЈСКА КАРАКТЕРИСТИКА ПОЈАЧАВАЧА СА ЗАЈЕДНИЧКИМ ЕМИТЕРОМ - Доња гранична учестаностДоња гранична учестаност fd

Улазни кондензатор за спрегу CS1 заједно с отпорницима R1 и R2 и улазном отпорношћу транзистора прави филтер пропусник високих учестаности (пропушта високе учестаности, а зауставља ниске).

О емиторском кондензатору Ce и његовојх улози у колу већ смо доста говорили. Он у наизменичном режиму треба да преспоји емиторски отпорник да не би остао у колу, чиме би се појачање транзистора смањило и сигнал би се изобличио. Зато треба да има веома малу реактансу (кратак спој), што на ниским учестаностима није могуће. Зато овај кондензатор такође утиче на доњу граничну учестаност.

Електоника 1

5. Појачавачи с биполарним транзисторима

Пример фазног изобличења приказан је на сликама 5.2.5. и 5.2.6.

Нека се на улаз појачавача доводи сложени сигнал (сличан правоугаоном) који се састоји од првог и петог хармоника (сл. 5.2.5). Ако у појачавачу нема фазних изобличења, на његовом излазу добије се напон истог облика као и улазни, али појачан (сл. 5.2.6а). Померај фазе првог хармоника је 00, а исто толико и петог. Слика 5.2.5. - Сложени улазни напон с првим и петим хармоником

ФАЗНА ИЗОБЛИЧЕЊА СИГНАЛА

Нека у појачавачу постоје изобличења таква да је померај фазе за први хармоник 1800, док је за 0 пети 0 (видимо да је напон првог хармоника на излазу у противфази с напоном првог хармоника на улазу). Напон петог хармоника на излазу појачавача је у фази с напономпетог хармоника на његовом улазу. Када се саберу сви хармоници на излазу појачавача, добија се напон другачијег облика (сл. 5.2.6б).

Иако је приказан случај екстремно великог фазног изобличења, он показује шта се дешава са сигналом када се само један хармоник сигнала помери за одређени угао. ПРОЈЕКТНИ ЗАДАЦИ ЗА ПРОВЕРУ ЗНАЊА - ЗАДАТАК 1

Електоника 1

6. Транзистори с ефектом поља (FET - ОВИ)

У претходним областима детаљно смо обрадили биполарне транзисторе, полупроводничке компоненте у којима су носиоци наелектрисања и електрони и шупљине. У таквим транзисторима излазне величине (напон и струја) контролисане су малом улазном струјом. У овом поглављу детаљно ћемо обрадити други тип полупроводничких транзистора који се називају транзистори са ефектом поља (на енглеском језику Field Effect Transistors) или FET-ови. Протицање струје кроз транзисторе с ефектом поља контролише се помоћу електричног поља које ствара прикључени напон на управљачкој електроди. За њега се у литератури може такође срести назив униполарни транзистор јер струју кроз њега сачињава само једна врста носилаца - или електрони или шупљине.

Према начину којим се постиже утицај електричног поља на струју која протиче кроз транзистор, постоје два основна типа транзистора с ефектом поља:

- спојни транзистори с ефектом поља (Junction Field Effect Transistor или JFEET),

- транзистори с ефектом поља с изолованим гејтом (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor или MOSFET).

На почетку ћемо обрадити JFET-ове, а затим њихову унапређену варијанту MOSFET-ове.

6.1.2.2. ПРЕНОСНЕ КАРАКТЕРИСТИКЕ JFET-ОВА

Преносне карактеристике JFET-а представљају зависност струје дрејна од напона гејт-сорс при константном напону дрејн-сорс:

Нацртаћемо фамилије карактеристика (сл. 6.1.2.2.1) за различите, константне вредности напона UDS.

Када је напон UGS= 0 V, област просторног наелектрисања између гејта и канала ја најужа, па струја има максималну вредност, која се обележава с IDSS. Када се повећава напон UGS (по апсолутној вредности јер је напон негативан), област просторног наелектрисања се шири, канал се сужава, па струја дрејна опада. Када је UGS= UGSoff = -Up (у овом случају канал се прекида целом дужином, а не само у близини дрејна) и струја кроз транзистор практично не тече (ID = 0). На графику можемо да видимо да су за различите вредности напона UDS криве веома блиске, што показује да је у области засићења струја дрејна практично независна од напона UDS.

Слика 6.1.2.2.1. - Преносне карактеристике JFET-a

Слика 6.1.2.2.2. - Пример 1

Преносне карактеристике JFET-a могу да се прикажу следећом једначином:

Електоника 1

6. Транзистори с ефектом поља (FET - ОВИ) где су ID и UGS зависно, односно независно променљиве величине, док су IDSS и UP (напон уштинућа канала) параметри одговарајућег JFET-а.

У неким JFET-овима због потпуно симетричне унутрашње структуре сорс и дрејн могу да замене места, а да се карактеристике не промене.

Посебно треба напоменути да се карактеристике JFET-ова много разликују у различитим примерцима истог типа, о чему ће касније бити више речено.

Иначе, дозвољен напон између сорса и дрејна обично може да буде до 30 V, дозвољена снага је до 300 mW, док струја IDSS обично иде од 2 A до 20 mA. Пример 1. - На слици 6.1.2.2.2 приказана је преносна карактеристика ЈFET-a. Написати једначину која математички преставља зависност струје дрејна од напона гејт-сорс. Решење примера 1. - Са слике читамо следеће вредности: IDSS = 10 mА и UGSoff = - UP = -4 V

6.2.2.1. ИЗЛАЗНЕ КАРАКТЕРИСТИКЕ MOSFET-a С ИНДУКОВАНИМ КАНАЛОМ

Излазне карактеристике MOSFET-a представљају зависност струје дрејна од напона дрејнсорс при константном напону гејт-сорс:

Сада ћемо нацртати фамилију излазних карактеристика (сл. 6.2.2.2) мењајући напон UGS од 0 V ка позитивним вредностима (2 V, 4 V, 6 V, 8 V......).

Омска област MOSFET-а често се назива и триодна област. Граница између омске и области засићења одређена је условом UDStot = UGS - UT . се као појачавач користи у области засићења.

Вредности за напоне и струје на карактеристикама дате су оквирно, а у зависности од самих транзистора - могу да буду и веће и мање. Нпр., струја дрејна моће да буде и 0,5 А а пробојни напон и више од 100 V.

Слика 6.2.2.2. - Фамилија излазних карактеристика MOSFET-a

Електоника 1

7. Појачавачи с транзисторима с ефектом поља (FET- ОВИМА) УКРАТКО О СЕДМОМ ПОГЛАВЉУ

У овој области проучићемо основне појачаваче с ЈFET-ом и МОSFET-ом. Основна одлика тих појачавачких склопова, са становиштва поларизације, биће занемарљиво мала струја гејта (IG = 0), односно веома велика улазна отпорност. Пошто је велика улазна отпорност изузетно добра особина, приликом поларизације треба водити рачуна о томе да се та особина сачува. Затим ћемо заменити транзисторе њиховим еквивалентним шемама и изразити основне карактеристике сваког појачавача: појачања струје, напона, снаге, затим улазне и излазне отпорности.

Као и у биполарним транзисторима, и у FET-овима постоје три могуће конфигурације транзистора. И овде постоје нека једноставна, практична правила која ће олакшати памћење која је електрода на ком месту у одговарајућој конфигурацији:

- свака од три електроде може да буде заједничка, тако да постоје конфигурације са заједничким сорсом, заједничким гејтом и заједничким дрејном,

- гејт никад не иде на излаз,

- дрејн никад не иде на улаз.

Најчешће коришћена конфигурација је са заједничким сорсом (у којој је гејт на улазу а дрејн је на излазу, па ћемо комплетне анализе да извршимо на њој.

ТЕСТ ЗА ПРОВЕРУ ЗНАЊА ( ПИТАЊА 4, 5, 6 И 7 )

Електоника 1

7. Појачавачи с транзисторима с ефектом поља (FET - ОВИМА) ЗАДАЦИ ЗА ВЕЖБАЊЕ / ПРОЈЕКТНИ ЗАДАЦИ

РЕЧНИК КЉУЧНИХ ПОЈМОВА

Електоника 1

8. Сложени појачавачи 8.4. КЛАСЕ РАДА ПОЈАЧАВАЧА - КЛАСА А Да се подсетимо! Идеалан појачавач требало би да има стабилно појачање које има константну вредност за различите вредности улазних сигнала, требало би да не зависи од фреквенције, да не уноси шум у излазни сигнал, не зависи од температуре.....Нису сви појачавачи исти: неки појачавају струју, други напон, имају малу или велику улазну и излазну отпорност.

Основне класе појачавача о којима ћемо говорити су класе А,B, AB и C. Осим тих класа, у дигиталној и импулсној електроници постоје и класе D, E, F, G , S, T.......о њима ћете учити наредних година.

Појачавачи класе А су појачавачи о којима смо до сада говорили: раде с малим сигналима и радна тачка им је на средини радне праве. Ти појачавачи су током рада увек у активној области (никад не достигну ни област закочења, ни област засићења), а што се види на слици 8.4.1. Ту могу да се сврстају појединачни степени биполарних и FET транзистора у различитим конфигурацијама. Пошто раде у линеарној области рада појачавача, имају особине најприближније идеалном појачава-чу. Основни проблем ових појачавача је тај што су увек ,,укључени” , односно и када на улазу немамо улазни, наизменичан сигнал, кроз транзистор тече једносмерна струја поларизације Ic (сл. 8.4.1). Због тога се велики део уложене снаге троши и на самом транзистору, а не на потрошачу, па је степен искоришћења ових транзистора веома мали (до 0,3 или 30%).

Појачавачи се такође због великих губитака на самом транзистору прегревају, а што може да узрокује да се појаве изобличења сигнала на излазу. За појачаваче малих напона или струја то не долази до изражаја, па се појачавачи класе А најчешће користе у те сврхе. КАСКАДНО ПОВЕЗАНИ ВИШЕСТЕПЕНИ ПОЈАЧАВАЧИ Занимљиво! Пошто појачавач са заједничким емитором окреће фазу напона на излазу, када се у вишестепеном појачавачу повеже непаран број степени (1,3,5,....), фаза напона на излазу помериће се за 1800. Када повежемо паран број степени (2,4,6....), улазни и излазни напон биће у фази.

Електоника 1

8. Сложени појачавачи ПОВРАТНА СПРЕГА

ПОВРАТНА СПРЕГА - ЗАДАЦИ ЗА ВЕЖБАЊЕ

ПОВРАТНА СПРЕГА - ПРОЈЕКТИ ЗАДАТАК

Електоника 1

9. Осцилатори ПОЗИТИВНА ПОВРАТНА СПРЕГА. БАРКХАУЗЕНОВ УСЛОВ ОСЦИЛОВАЊА Да се подсетимо! Електронска кола која генеришу синусоидалне сигнале одговарајуће учесталости називају се осцилатори простопериодичних функција (линеарни, синусиодални осцилатори). Иако се каже да осцилатори генеришу сигнал, они, у ствари, само претварају енергију једносмерног извора напајања у енергију синусоидалног сигнала.

Осцилатори се најчешће праве као кола с позитивном повратном спрегом (слика 9.1.1 ).

Слика 9.1.1. - Позитивна повратна спрега

Извешћемо сада израз за појачање кола с позитивном повратном спрегом приказано на слици 9.1.1:

Међутим, коло приказано на слици 9.1.1 има улазни сигнал, што је у супротности с дефиницијом осцилатора (без спољашњег, временски променљивог сигнала.

Уколико бисмо искључили улазни напон , добили бисмо коло приказано на слици 9.1.2.

Слика 9.1.2. - Позитивна повратна спрега без улазног напона

Електоника 1

9. Осцилатори

Услов који смо добили, а који треба да буде испуњен да би на излазу осцилатори добили стабилне (непромењиве) синусоидалне осцилације, зове се Баркхаузенов услов (критеријум) осциловања.

RC ОСЦИЛАТОРИ

ПРОВЕРА СТЕЧЕНОГ ЗНАЊА омогућена је кроз: ДА ЛИ СТЕ РАЗУМЕЛИ ЛЕКЦИЈУ? - ПИТАЊА ЗА ПОНАВЉАЊЕ ГРАДИВА ДА ПРОВЕЖБАМО НЕКИ ЗАДАТАК. - Задаци за вежбање ТЕСТ ПРОЈЕКТНИ ЗАДАТАК

Електоника 1

10. Транзистор као прекидач БИПОЛАРНИ ТРАНЗИСТОР КАО ПРЕКИДАЧ Да се подсетимо! Биполарни транзистори могу да раде у једном од три режима рада: активном режиму, засићењу и закочењу. У активном режиму транзистори се понашају као појачавачи. У засићењу је пад напона на транзистору најмањи, док у закочењу кроз транзистор не тече струја. Област засићења (затворени прекидач)

Када улазни напон на бази транзистора порасте до одређене границе (која је различита за различите транзисторе и прекидачка кола у којима се налазе), струја колелтора толико порасте да транзистор уђе у област засићења (сл. 10.1.2).

Слика 10.1.4. - Биполарни транзистор као затворен прекидач

У овој области колекторска струја више не зависи од улазног напона и у идеалном случају може се сматрати да се целокупан напон Ecc ,,троши’’ на отпорност Rc , па излазни напон постаје једнак 0 (Uce= 0V) . Овај случај сличан је понашању затвореног прекидача (сл. 10.1.4б). У реалном случају ипак постоји неки пад напона између колектора и емитора који се назива напон засићења и обележава се с UCES. Овај напон обично има веома малу вредност ( 0,2 - 0,4 V), мада има и транзистора с веђим напонима засићења. Због ниског напона засићења UCES снага на транзистору обично је знатно мања од максималне дозвољене снаге, па транзистору није потребан хладњак. Због повећане струје базе у области засићења је повећан и напон између базе и емитора, који се означава с UBES. Његова типична вредност је 0,8 - 1 V. БИПОЛАРНИ ТРАНЗИСТОР КАО ПРЕКИДАЧ - ПРОВЕРА ЗНАЊА -

Електоника 1

10. Транзистор као прекидач

ВЕЖБАМО КРОЗ ЗАДАТКЕ

ПОКУШАЈТЕ САМИ

Електоника 1

11. Тиристори

Тиристори су управљиве (могуће је контролисати струју која кроз њих тече) полупроводничке прекидачке компоненте, које се углавном употребљавају у области енергетске електронике јер имају веома велике радне напоне (од 10 V до вредности већих од 1 kV) и струје (неколико хиљада А). Откривени су још 1957. године и поред диода и транзистора представљају најчешће коришћене електронске компоненте.

Постоји више електронских компоненти који се називају заједничким именом - тиристори. У овој области, проучићемо:

- триодни тиристор (SCR),

- двосмерни триодни тиристор (триак),

- двосмерни диодни тиристор (диак).

11.1. Триодни тиристор (SCR)

Триодни тиристори (у наредном излагању скраћено ћемо их звати тиристори) или SCR компоненте (на енглеском - Silicon Controlled Rectifier - силицијумски контролисани усмерач) представљају:

- Silicon - полупроводничке компоненте,

- Controlled - контролисане (управљиве) компоненте (компонентом се управља спољашњим сигналом, напоном или струјом),

- Rectifier - усмерачке компоненте (претварају наизменичне (AC) сигнале у једносмерне (DC) сигнале - као, нпр., диоде). СТРУКТУРА И ШЕМАТСКИ ПРИКАЗ

Тиристор је компонента састављена од четири полупроводничка слоја која су наизменично поређана, па чине три PN слоја (слика 11.1.1а). Триодни тиристор има три прикључка (зато се и назива триодни - три електроде): аноду А, катоду К и гејт G. Шематски симбол приказан је на слици 11.1.1б и ако га будемо детаљније проучили, видећемо да нам и он сугерише да је тиристор сличан диоди (усмерач), само што има трећу, контролну електроду - гејт.

Слика 11.1.1. - (а) Структура триодног тиристора, (б) шематски симбол триодног тиристора ЕКВИВАЛЕНТНА ШЕМА И ПРИНЦИП РАДА

Принцип рада тиристора најлакше је објаснити коришћењем еквивалентног кола тиристора, у ком је тиристор подељен на два дела по три слоја (сл. 11.1.2а). Сваки део чини по један биполарни транзистор (горњи транзистор Т1 је PNP, а доњи Т2 је NPN типа), који су повезани као на слици 11.1.2б и чине еквивалентну шему тиристора. Колектор транзистора T1 везан је за базу транзистора Т2 , и обрнуто, колектор транзистора Т2 везан је за базу транзистора Т1. Уколико се подсетимо да су струје база и колектора транзистора повезане формулом:

Електоника 1

11. Тиристори можемо да закључимо да између та два транзистора постоји позитивна повратна спрега, што ћемо сада и да докажемо.

Слика 11.1.2. - (а) Физичка подела тиристора на два транзистора, (б) еквивалентна шема тиристора

СТАТИЧКЕ КАРАКТЕРИСТИКЕ ТИРИСТОРА ( од тачке A до тачке B)

Све претходне појаве могу се уочити на статичким карактеристикама тиристора (сл. 11.1.5) које су нацртане за различите вредности струје гејта.

Слика 11.1.5. Статичке карактеристике тиристора

Карактеристику директно поларисаног тиристора посматраћемо редом од тачке А до тачке B, затим до тачке C и на крају до тачке D. A-B. - У овом делу карактеристике напон на тиристору се повећева, али тиристор још не води. Кроз тиристор тече мала, директна струја цурења. Када ће тиристор почети да проводи зависи од вредности струје гејта IG . Што је вредност те струје већа, тиристор ће пре да проведе. У тачки B је напон довољно велики да тиристор проведе иако је IG = 0 A. Сваки тренутак у ком тиристор почне да проводи (при различитим струјама гејта) може се сматрати директним пробојем. Зато су вредности напона при којима тиристор почне да проводи назване директним пробним напонима ( UP1, UP2......). ПРОВЕРА СТЕЧЕНОГ ЗНАЊА омогућена је кроз: РЕЗИМЕ

ДА ЛИ СТЕ РАЗУМЕЛИ ЛЕКЦИЈУ? - ПИТАЊА ЗА ПОНАВЉАЊЕ ГРАДИВА КЉУЧНИ ПОЈМОВИ -Тиристори ТЕСТ ЗА ПРОВЕРУ ЗНАЊА

ио

Електоника 1

12. Оптоелектроника 12.2. Светлосни извори

Постоји више начина да се из различитих материјала емитује светлост, тако да постоји и више врста светлосних извора: сијалица, гасна цев, екран телевизора, гасни ласери... У овом делу разматраћемо полупроводничке компоненте које емитују светлост:

- LED (Light Emmiting Diode) - диоде које емитују светлост,

- ласерске диоде (полупроводнички ласери). ТЕЧНИ КРИСТАЛИ

Течни кристали (Liquid Chrystal), специфична једињења која имају особине и течности али и кристалних, чврстих супстанци, открили су аустроугарски научници још крајем деветнаестог века. Течни кристали имају издужен облик молекула (у виду штапића) чије су осе међусобно паралелне (што их чини кристалима - супстанцама чији су молекули у геометријски правилном распореду), као што је приказано на на слици 12.2.5. Правац по ком се простиру осе зове се директор.

Слика 12.2.5. - Штапићасти облик молекула течног кристала

Слика 12.2.6. - Принцип поларизације светлости

Они такође имају још једну важну особину чврстих кристала - поларизују светлост. Принцип поларизације светлости приказан је на слици 12.2.6. На слици се види да светлосни талас, који осцилује у различитим правцима (неполаризован талас), када прође кроз материјал који представља поларизатор, наставља да осцилује само у једној равни (поларизован талас). Уколико светлост пропустимо прво кроз један поларизатор (вертикални), а затим кроз други (који је под неким углом, коси) интензитет осветљености на излазу из другог поларизатора биће смањен и зависиће од угла (сл. 12.2.7).

Слика 12.2.7. - Смањење интензитета осветљености проласком кроз коси поларизатор

Електоника 1

12. Оптоелектроника

Још једна особина течних кристала је важна, а то је да су крајње осетљиви на поремеђаје спољашњих фактора, као што су електрично поље, магнетно поље и светлост. Спољашње магнетно и електрично поље од молекулаљ стварају индуковане диполе ( штапићи на једном крају имају + а на другом - наелектрисање. Када спољашње поље престане да утиче, материјал се враћа у почетно стање ( остаје неполарисан).

Седамдесетих година прошлог века развијени су први дисплеји ( Liquid Chrystal Display) засновани на својству течних кристала да мењају угао поларизације. ДА СЕ ПОДСЕТИМО, ЗАНИМЉИВОСТИ, РЕЧНИК КЉУЧНИХ ПОЈМОВА Да се подсетимо! - УВОД

Слика 12.1. - Електромагнетни спектар Да се подсетимо! Оптика је област физике која се бави проучавањем светлости, светлосних појава и њихових законитости. Светлост је електромагнетни талас који емитује извор светлости. Електромагнетно зрачење преноси енергију и креће се брзином светлости, која износи 300.000 km/s. Различите врсте електромагнетног зрачења имају различите учестаности и различите таласне дужине. Електромагнетни спектар чини цела област електромагнетног зрачења, укључујући ту и радио-таласе, инфрацрвене зраке, видљиву светлост, ултраљубичасте, рендгенске или X-зраке и гама зраке. Занимљиво! - 12.1. ФОТОДЕТЕКТОРИ

Извод из речника кључних појмова - ОПТОЕЛЕКТРОНИКА Струја мрака - инверзна струја засићења која се јавља када нема светлости која пада на PN спој диоде Отпорност мрака - отпорност фотоотпорника у одсуству светлости Светлосни извори - полупроводничке компоненте које под одређеним условима емитују светлост Стимулисана емисија фотона - приликом сусрета фотона и побуђеног електрона емитује се идентичан фотон а електрону се смањује енергија

Електоника 1

Завод за уџбенике, Београд, 2017. www.zavod.co.rs

ХВАЛА НА ПАЖЊИ!

Предметни уредник: Гордана Дугошија Тел: 064/8072360; email: gdugosija@gmail.com

КБ 22261