2. Elektronikus áramkörök fejlõdése: 20-as, 30-as, a 2. világháború után

Elektronika kidolgozott tételek

1.Alapfogalmak: elektronika, elektronikus áramkör Elektronika: elektromosan vezérelhetõ elemek segítségével (elektroncsõ, tranzisztor, optoelemek, stb) valamely speciális feladat megoldása. Elektronikus áramkör: elektronikus alkatelemek és lineáris hálózati elemek kombinációi,egy feladat megoldására, célszerûen összehangolva. Az áramköröket az alkatelemek,valamint az összekötésüket definiáló gráf együttese szabja meg.

2. Elektronikus áramkörök fejlõdése: 20-as, 30-as, a 2. világháború után. A 20-as évek technikai csúcsát a telefon jelentette. 30-as évek végére hangfrekvenciásés rádiófrekvenciás erõsítõk, és visszacsatolt áramkörök foglalták el a csúcsot. A másodikvilágháború alatt megjelentek a radar rendszerek és az impulzus technikai áramkörök. A világháború után széles körben elterjedt a televíziózás, az elektronikus méréstechnika és megindultak a nukleáris kutatások. Fontos mérföldkõ volt 1948-ban a tranzisztor felfedezése. Segítségével radikálisan csökkentették az áramkörök teljesítmény-igényét. Bonyolult áramköröket tudtak elõállítani nagyon megbízhatóan, gyorsan és nagy mennyiségben. A világháború alatt elkezdõdtek a kutatások a számológépekkel (számítógépekkel) kapcsolatban. Eleinte gondolkodtak még analóg számítógépekben, de szép lassan rájöttek, hogy a jövõt a digitális számítógépek fogják uralni. A gépek sokat jelentettek az elektronika fejlõdésében, viszont az igazi jelentõsségüket talán még ma sem sejtjük. Az elektronikának további lendületet adtak az ûrprogramok, a rakéták fejlõdése. Az áramkörök számát tovább növelték az ipari folyamatok mûszerezettségi igénye valamint az elektronika közhasznú berendezései.

3. Az elektronika fejlõdésének okai A fejlõdés okai: •

a fizikusok új dolgokat találnak ki

•

a villamos mérnökök és tervezõk arra törekszenek, hogy valami új és hasznos

•

dolgot alkossanak

•

a vállalkozók és a managerek a piac befolyásolásával új igényeket keltenek

•

a társadalmak által a hadi iparba fektetett milliárdok

1

4. Elektronikus berendezések építõelemei, alkatrészek és konstrukciók Legfontosabb építõelemek: •

ellenállás

•

kondenzátor

•

tekercs

•

dióda

•

tranzisztor

Az elektronikus konstrukciók lényege, hogy mindent a lehetõ legkisebb elemekbõl próbál összeállítani. Így nem kell minden feladatra külön céleszközt tervezni, gyártani ezzel sokkal olcsóbb az elkészítése. Ezen kívül hiba esetén is sokkal könnyebb kicserélni vagy megjavítani az adott alkatrészt, mintha egy nagyobb egységet kellene teljesen kicserélni.

5. NYÁK Áramköri elemek befogadására tervezett vékony lap. A nyomtatott áramkörök felületén vezető sávok futnak, amelyek az áramköri elemeket összekötő kábeleket helyettesítik. A modern változatok több rétegben készülnek, és a két felületi oldalon kívül a lap belsejében is vezető rétegeket tartalmaznak. A legismertebb nyomtatott áramkörre felépített részegységek a PC-ben az alaplap és a különböző bővítőkártyák. A NYÁK (Nyomtatott Áramköri Kártya, angolul Printed Circuit Board, PCB) kis illetve nagyüzemi, de akár egyedi gyártással is előállított 1-től akár 16 rétegű bakelit, vagy üvegszálasgyanta alapú elektronikai alapalkatrész. A szigetelő lemez felületén néhány mikron vastagságú vezetőréteget hordoz. A vezetőréteg általában réz (Cu), gyakran ónnal (Sn) befuttatva. Hordozója a furatszerelt illetve felületszerelt (Surfacemount Device, SMD) áramköri elemeknek (kondenzátorok, ellenállások, tranzisztorok, LED-ek, IC-k). Érdekessség, hogyan készítsünk házilag NYÁK-ot: http://www.hobbycnc.hu/NYAK/NYAK.htm

6. A ktív és passzív négypólusok, szimmetria, földszimmetria Bonyolult áramkörök is elemezhetõek, ha azokat felbontjuk két-, négypólusokra. Az áramköri elemek tipusai: •

aktív áramköri elemek: a helyettesítõ képük áram- vagy feszültséggenerátort tartalmaz 2

•

passzív áramköri elemek: nincs áram- sem feszültséggenerátort a helyetesítõ képben

•

lineáris áramköri elemek: a feszültség és az áram közötti kapcsolat lineáris függvénnyel írható le

•

nemlineáris áramköri elemek: a feszültség és az áram közötti viszony nem írható le lineáris függvénnyel

Kétpólus: tetszõlegesen bonyolult hálózat két villamos csatlakoztatási ponttal. •

aktív: generátor jellegû (képes energiát leadni) o ideális és valóságos feszültséggenerátor o ideális és valóságos áramgenerátor o e kettõ kombinációja

•

passzív: fogyasztó jellegû (energiát képes felvenni)

Aktív kétpólusok: Feszültséggenerátorral: U = U – Rb * I Ha Rb=0 akkor U=Ug Üresjárási feszültség: Uü=Ug Rövidzárási áram: Ir=Ug/Rg Belsõ ellenállás: Rb=Rg Áramgenerátorral: I=Ig-U/Rb Ha Rb=∞ akkor I=Ig Üresjárási feszültség: Uü=Ig*Rg Rövidzárási áram: Ir=Ig

3

Belsõ ellenállás: Rb=Rg

4

Passzív kétpólusok:Négypólusok: Típusai: •

aktív

négypólus: legalább egy aktív elemet tartalmaz •

passzív négypólus: csak passzív elemeket tartalmaz

•

lineáris négypólus: minden áramköri elem lineáris

•

nemlineáris négypólus: legalább egy elem nemlineáris

•

szimmetrikus négypólus: a kimenete és a bemenete felcserélhetõ

•

földszimmetrikus négypólus: kimenet és a bemenet felcserélhetõ

7. Négypólusok paraméterei (z, y, h, d) A négypólus meghatározott, ha ismertek a feszültségei és az áramai. Ezek egymás függvényei, két adat és a kapcsolás ismeretében a másik kettõ meghatározható. Ezek az egyenletrendszerek a négypólusok karakterisztika egyenletei. Négy legfontosabb négypólus paraméter: •

z – impedancia paraméter

•

y – admittancia paraméter

•

h – hibrid paraméter

•

d – inverz hibrid paraméter

8. Energia források, a villamos energia elõállításának módszerei Energiát

a

generátorokból

nyerhetünk. Ezek lehetnek: •

kémiai

•

nukleáris

•

hõ 5

•

fény

•

mechanikai

•

szél

•

hang

A generátor elvi felépítése:

9. Ideális és valós feszültséggenerátor Az ideális feszültséggenerátor kapcsain a feszültség minden körülmények között a rá megadott „definiált” érték. Nem függ attól, hogy mekkora terhelő ellenállást csatlakoztatunk rá, vagy más megfogalmazásban attól, hogy mekkora árammal terheljük, sem attól, hogy bármilyen összetett hálózatra csatlakoztatjuk. U A valós feszültséggenerátor közel ideális, ha a kapocsfeszültség, U k megegyezik g -vel, vagy ahhoz közeli értékű. Ha a körben áram folyik, akkor a belső ellenálláson egy belső feszültségesés jön létre. Ez a kapocsfeszültséget csökkenti: U k = U g − U b = U g − I ⋅ Rb A kapocsfeszültség tehát akkor közelíti meg az ideális generátor forrásfeszültségét, ha mind az áram, mind a belső ellenállás kicsi Ha a belső ellenállás értéke nulla, akkor a valós feszültséggenerátor határeseteként az ideális feszültséggenerátorhoz jutunk. Ha nem így lenne, akkor következtetés-láncolatunkban valahol hibát követtünk volna el. kérdés, az, hogy mikor fogadhatjuk el a valós feszültséggenerátort közel ideálisnak. Ez akkor teljesül, ha Uk ≈ Ug , U g − Ub ≈ U g , Ub < < U g , I ⋅ Rb < < U g . A valós feszültséggenerátor tehát akkor tekinthető közel ideálisnak, ha a belső ellenállása az éppen alkalmazott terhelő ellenállásnál lényegesen kisebb.

10. Ideális és valós áramgenerátor Az ideális áramgenerátor mindig a „definiált” áramot hajtja keresztül a hálózaton. A gyakorlatban áramgenerátorokat legtöbbször elektronikusan valósítunk meg és ezek meghatározott korlátok között működnek. Generátoraink kapcsait gyakran hagyjuk Ez a feszültséggenerátornál nem, de az

rá jellemző, csatlakozó csak

jól

szabadon.

6

áramgenerátornál ellentmondáshoz vezethet. A szakadáson ugyanis nem folyhat áram, az ideális generátoroknak viszont át kéne hajtani az áramot. Ilyenkor az áramgenerátorunk hibája megmutatkozik. A valós áramgenerátor modellje egy ideális áramgenerátorból és párhuzamosan kapcsolt belső ellenállásból áll A valós áramgenerátor akkor közelíti az ideálisat, ha belső ellenállása egyre nagyobb. Az ideális áramgenerátor belső ellenállása végtelen nagy Ha az áramgenerátor nem ideális, akkor a forrásárama megoszlik a belső ellenállás és a terhelő ellenállás között. I g = Ib + It A valós áramgenerátor közel ideális, ha a generátoráram csaknem teljes egészében a terhelésre jut. I g ≈ It Ez akkor teljesül, ha a terhelő ellenállás árama mellett a belső ellenállás árama elhanyagolható. I g > > Ib és I t > > I b Utóbbiakba behelyettesítve: U U >> Rt Rb 1 1 >> Rt Rb Rt < < Rb A valós áramgenerátor tehát akkor tekinthető közel ideálisnak, ha a belső ellenállása az éppen alkalmazott terhelő ellenállásnál lényegesen nagyobb.

http://jegyzet.sth.sze.hu/ftp/!Muinfo/!Elso_eves/Elektrotechnika_(au01)/Val%F3s %20fesz%FClts%E9ggener%E1tor.doc 11. Ellenállások (huzal, réteg) Ellenállás jele: R mértékegysége: Ohm Huzal ellenállásának meghatározása: R= r (ró)*l/A ahol R (ró)-fajlagos ellenállás, anyagra jellemző érték, mértékegysége: Ohm*mm2/m l- a vezető hossza, mértékegysége: m A- a vezető keresztmetszete, mértékegysége: m2, de mm2-ben számolunk vele Mivel a huzal ellenállást tekercseléssel állítják elõ, ezért hogy ne legyen neki induktivitása bifiláris (a feltekerendõ szálat, félbe hajtják, majd így tekercselik fel, ezáltal a két szál kioltja egymás induktivitását) tekercseléssel állítják elõ. Réteg ellenállás: 7

A legelterjedtebbek a fémoxid, szén és félvezetõ ellenállások. Az elõállítás során egy szigetelõ anyagra hordják fel a vezetõ rétegeket, majd köszörüléssel állítják be a pontos értékét Integrált áramköri ellenállás: Félvezetõ eszközökbõl állítják elõ, mikroszkopikus méretekben. Kihasználják a különbözõ félvezetõ anyagok fajlagos ellenállását, illetve a megfelelõ ellenállás elérése érdekében a keresztmetszetet is változtatják. Gyakran az áram iránya is meghatározza az ellenállást

12. Ellenállások szabványos értéktáblázata Az E osztály utáni szám megmutatja, hogy az adott osztály egy

nagyságrendje

hány

ellenállásból

áll

sorozat +/- %

E6 20

E12 10

E24 5

E48 2,5

E96 1

E192 0,5

Felhasználá

M

K

J

G

F

D

Az

si terület Közszükségleti Hiradás- és irányítástechnika Professzionális, katonai ellenállások értékét a rajtuk

lévõszínes

sávok alapján lehet meghatározni. Színtáblázatot lásd az 5. diasor 6. dia alján

13. Ellenállások teljesítmény viszonyai és hõfokfüggése P=I*R2 Az ellenállások névleges terhelési osztályai (a számok W-ban (watt) értendõek): 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2; 3; 6; 10; 20; Ezek közül az 0,05-tõl 0,25W-ig a hordozható készülékekben használják fel õket, a nagyobb üzemidõ elérése miatt. 0,5-tõl 1W-ig fõleg a hálózati készülékekben, míg 3 –20W-i az ipari árammal meghajtott gépekben használják fel õket.

8

14. Ellenállások nagyfrekvenciás viselkedése Egyenáram használatakor az ellenállások viselkedése a megszokott, viszont nagyobb frekvenciáknál megváltozik, és úgy kezdenek el viselkedni, mintha kapacitásuk és induktivitásuk is lenne. Ez a határ a félvezetõ ellenállásoknál a legkisebb.

15.

Ellenállások

lineáris és nemlineáris jelleggörbéje Az ellenállások jelleggörbéje, azaz, hogy adott U feszültségre mekkora I áram fog átfolyni, lehet tervezett vagy nem-tervezett illetve hõfok- vagy frekvenciafüggõ. Ezen kívül léteznek továbbá differenciális ellenállások.

9

16. Állandó és változó ellenállások Lehetnek lineárisan vagy logaritmikusan változó ellenállások. Ahol gyakrabban kell változtatniaz ellenállást ott potmétert alkalmaznak, melynek pontosságát mechanikus áttétekkel növelik. Általában a sok használattól a benne lévõ szén érintkezõk elkopnak. A ritkábban változtatott ellenállásokat csak speciális eszközzel lehet változtatni (pl.: csavarhúzó). Ezeket fõként a hitelesítésre szánt eszközökben alkalmazzák.

17. Külsõ tényezõkkel változtatható ellenállások (mechanika, fény, fõ, feszültség, nyomás) Fény ellenállás Alkalmazzák foto-cellákban, fényképezõgépekben, mozgás érzékelõkben. Fény hatására csökken az ellenállása. Ólom, kadmium-szulfid az alapja, legtöbbször logaritmikus a karakterisztikája. Hõ ellenállás Két típus: •

PTC o meleg hatására növekszik az ellenállása o titanát-kerámia alkotók o a karakterisztikája nem lineáris, de van közel lineáris szakasza, ahol jól használható o alacsony árammal üzem, hogy a hõmérsékletet ne befolyásolja túlságosan

•

NTC o meleg hatására csökken az ellenállása o titán vegyületek, vasoxid o karakterisztikája közel lineáris o szoba termosztátokban használják

Feszültség ellenállások VDR 10

Feszültségmérõkben alkalmazzák. 500V felett is alkalmazhatóak. Szilícium összetevõ.

18. Kondenzátorok A kondenzátor (régies nevén: „sûrítõ”) töltés tárolására szolgáló áramköri elem. Minden kondenzátor legalább két párhuzamos vezetõ anyagból (fegyverzetek) és a közötük lévõ szigetelõbõl (dielektrikumból) áll. A kondenzátor legfontosabb jellemzõje a kapacitása. Jele: C, mértékegysége: Farad (F) C=Q/U Q - tárolt töltés U - fegyverzetek közötti feszültség A dielektrikum szerint lehetnek kerámia kondenzátorok, elektrolit kondenzátorok. Felépítés szerint lehetnek fix kapacitásúak vagy változtatható kapacitásúak.

11

19. Kondenzátorok dielektrikumos állandója, az átütési feszültség C =e* A / l Ahol e– dielektromos állandó: anyagonként változó e0-vákuum dielektronikis állandója (8,855*10-12 As/Vm) er - anyagra jellemző relatív dielektromos állandó e = e0*er A – fegyverzetek felülete (m2, képen s) l – a fegyverzetek közötti távolság (m, képen: d) Minden kondenzátornak van egy kritikus térerõssége (kV / cm), amelyet még a benne lévõ dielektrikum el tud viselni, ez az érték feszültségenként változó. Az átütési feszültség pedig megadja, azt a feszültség értéket (V-ban) ahol már a dielektrikum nem tud szigetelni és szikra keletkezik. Ez a szikra tökre is teheti a dielektrikumot, ami onnantól vezetõvé válik, elveszíti a töltését a kondenzátor.

20. A kondenzátor helyettesítõ kapcsolásai, jósági- és veszteségi tényezõ Mivel a dielektrikum nem ideális a kondenzátor egy idõ önmagától is elveszíti a töltését, ezt az idõt az önkisülési idõállandó adja meg. A kondenzátorok helyettesítési képe nagyban függ attól is, hogy kis vagy nagyfrekvenciás áram tölti fel illetve süti ki. A helyettesítési képen látható ellenállások, többek között a kivezetések ellenállását is szimbolizálják. Mivel az áram szabad folyását akadályozzák veszteséget okoznak. D=1/Q D – veszteségi tényezõk Q – jósági tényezõ Párhuzamos kapcsolásnál: D

–

1

/

(w*Rp*C) Soros kapcsolásnál: D-(w*Rs*C) 12

w – az átfolyó áram körfrekvenciája

13

21. Kondenzátorok hõmérséklet-függõsége e(v)=e0(1+αc* v) v-hőmérséklet αc- anyagra jellemző állandó A relatív változás 1oC-ra ( C/Cn)/ v (%/oC) A katalógusokból kiolvasható az a hõmérséklet tartomány ahol a kondenzátor még használható anélkül, hogy tönkre menne, vagy megváltoznának a tulajdonságai.

22. Kondenzátorok jellegzetes típusai A különbözõ típusú kondenzátorok jellemzésére használható a fajlagos kapacitás fogalma, amely a kondenzátor kiterjedéséhez viszonyítja a tárolni képes töltést. Jele: Cf mértékegysége: F / m3 Cf=Cn/V Fóliakondenzátor Két fémfólia közé helyeznek szigetelõt, majd ezt feltekerik és mûanyag vagy fém házba helyezik. Fajtái: MP (metal-paper): a papír rétegre a fémet gõzöléssel viszik fel. MK: a papírnál vékonyabb mûanyag rétegre (polikarbonát, polisztirol, polietilén) szintén gõzöléssel viszik fel a fémréteget A fóliakondenzátorok elõnye, hogy képesek az önregenerálásra. Ha átüt a szikra a dielektrikumon, a keletkezõ áram felmelegíti és elgõzöli a fémet, ami visszakerül a helyére, és ezután ismét használható a kondenzátor. A tekercselés okozta öninduktivitás kiküszöbölhetõ az azonos pólusú fegyverzetek összeforrasztásával. Elektrolit kondenzátor A dielektrikum elektrolit, ami jól kitölti a legkisebb hézagokat is, ezáltal nagyon kicsi fegyverzet távolság is elérhetõ. A 14

hagyományos kondenzátorokban alumínium a vezetõ és a rajta lévõ oxid réteg a szigetelõ. Az oxid réteget érdesítik, hogy minél nagyobb legyen a felülete. Fajtái: •

tantál fólia: tantál-pentoxid, nagy er, hosszú élettartam

•

tantál fémszivacs: tantál-pentoxid, nagy anód felület

•

tantál fémszivacs szilárd elektrolittal: mangánoxid, mint elektrolit

23. Kondenzátorok feszültségviszonyai Megkülönböztetünk egyen- és váltóáramú kondenzátorokat. A váltakozó áramú kondenzátorokban a váltóáram miatt nagyobb a veszteség, azért a lehetõ legjobb dielektrikumokat kell használni bennük, az egyen áramúaknál a gyengébb minõség is elfogadható. Az elektrolit kondenzátorok alkalmazásnál figyelni kell a polaritásra is. Ennek kivédésre készítenek olyan kondenzátort, aminek a tokjában két kondenzátor található ellentétel pólussal. Elõnye, hogy nem lehet rosszul bekötni, hátránya viszont, hogy a fele akkora csak a teljesítmény.

15

24. Kondenzátorok szabványos értéktáblázatai A kondenzátorok az IEC szabvány szerint készülnek. A katalógusok megadják a kondenzátorok néveleges kapacitását (ez leolvasható a tokról is, számok vagy színek formájában), a névleges feszültséget, a tûrésosztályt, valamint a polaritást. Illetve megadják a ▲C/Cn is. Színtáblázatot lásd a 6. diasor 11. diáján.

25. Változtatható kapacitású kondenzátorok A kondenzátor kapacitása a fegyverzetek felületétõl és a dielektrikumtól függ. Sokkal egyszerûbb a fegyverzeteket változtatni, mint a dielektrikumot, ezért leginkább forgókondenzátorok gyártanak. Ezek egyik fajtája a gyakori állításra szánt. Ilyen található például a régebbi rádiók állomás keresõjében. A pontosságot itt is mechanikai áttétekkel fokozzák. Szintén készítenek ritkább beállítása szánt kondenzátorokat is.

26. Induktivitások (tekercsek) A tekercsek szerepköre kezd lecsökkenni, mert megvalósításuk meglehetõsen nehézkes. Legfõbb jellemzõjük az induktivitás. Jele: L mértékegysége: H (Henry) L=µ*A(N2/l) m – mágnese permeabilitás A – a tekercs belsõ keresztmetszete, ahol a mágneses erõvonalak vannak N – a tekercs menetszáma l – az tekercs azon hossza, ahol a mágneses erõvonalak vannak

27. Tekercsek mûködési veszteségei (rézveszteség, vasveszteség, hiszterézis) A tekercsek vesztesége a tekercset alkotó rézen esõ teljesítménybõl és a vasmagban keletkezõ ör vényáramok keltette 16

teljesítménybõl adódik, valamint a hiszterézisbõl. Az örvényáramok hatása csökkenthetõ, ha a vasmagot lemezekbõl készítjük (lemezvasmag) vagy porkerámiát alkalmazunk. A hiszterézis abból adódik, hogy a vasmag késve reagál a mágneses tér változásaira, valamint a mágneses tér megszûnése után nem veszíti el teljesen a mágnesességét. A tekercsen átfolyó áram felmágnesezi a telítési pontig (H0– 'b') a magot. Amikor megszûnik az áram, másik úton tér vissza, és amikor a térerõsség 0, akkor még rendelkezik valamennyi mágnesességgel ('c'). Ellentétes pólusra kötve a mágneses pólus nem fordul meg azonnal, hanem csökkenni kezd a mágnesessége a vasmagnak. A térerõsség már Hc pontban van ('d'), de a vasmag még csak akkor lesz semleges, és innentõl fordul meg a pólusa. Tovább növelve a térerõsséget ismét telítõdésig mágnesezõdik a vasmag. Kikapcsolva a vasmag még mindig mágneses ('f' pont). Növelve a térerõsséget ismét elérhetõ a telítõdési 'b' pont. A felfutás ('e'-'f'-'g'-'b') „párhuzamos” a lefutással ('b'-'c'-'d'-'e'). A veszteség a lefutás és a felfutás integrálásával számolható ki. A veszteség csökkenthetõ jobb minõségû vasmag alkalmazásával. Vt=Vr+Vv Vr=I2*ROhmikus Vv=Vö+VH Vh=k*AH*F VT– tekercs veszteség VR-rézveszteség I-tekercsen folyó áram VV-vasveszteség VÖ-örvényáram veszteség VH-hiszterézis F-frekvencia AH-

17

28. Lágy és keményvasmagos tekercsek Lágyvasmag elveszíti a mágnesességét, ha megszûnik körülötte a mágneses tér. •

Lemezvasmagos: szigetelt vékony lemezek, transzformátorok 10 kHz-ig

•

Ferrit vasmagok: fém-oxidokból, elektromosan nem vezető anyagok, nincs örvényáram

•

Nagyfrenvenciás vasmagok: műanyag és ferromágneses anyagok keveréke, nem vezet, alakra préselik

Pl: jelfogók(relék) A keményvasmag tovább megõrzi a mágneses tulajdonságát. •

Elsősorban ferrit-anyagokat alkalmaznak gyártásukra

•

Speciális hiszterézisgörbe, két stabil mágneses állapot, bináris 0 és 1 tárolása

29.Transzformátorok, szerepük az energiatovábbításban (az egyen- és váltóáramú energiatovábbítás összehasonlítása) A transzformátorok két tekercsbõl állnak és az õket összekötõ vasmagból. Segítségükkel csökkenthetõ az áram szállítása közben elkerülhetetlen energia veszteség. Az erõmûben elõállított villamos energiát feltranszformálják több százezer V-ra így az áramerõsség ami a távvezetékek teljesítményét döntõen befolyásolja nagyon alacsony lesz így kisebb az energiaveszteség. A feltranszformált áramot több fokozatban transzformálják le a transzformátor állomások és dobozok. A transzformátorok a feszültséget a menetszámaik arányában állítják elõ, míg az áramerõsséget azzal fordított arányban. U1/U2=N1/N2 I1/I2= -(N2/N1)

30. Transzformátorok vasmagjai anyagai, alakjai A tekercsek veszteségeinek csökkentése érdekében a vasmagot általában

egymástól

elszigetelt

lemezekbõl

állítják

elõ, így

csökkentve az örvényáramok hatását. Ezek 10kHz- ig használhatóak. Illetve alkalmaznak ferrit vasmagokat, amik fém-oxidból készülnek és elektromosan nem vezetõ anyagok, így nem keletkeznek bennük örvény áramok. Nagy frekvenciás transzformátorokhoz mûanyag és ferromágneses anyagokat kevernek, melyeket aztán formára préselnek. Néhány alaktípus az ábrán látható. 18

31. Jelfogók, típusai (hagyományos, Reed), szerepük. A jelfogók (más néven relék) egy tekercsbõl és egy a tekercs által vezérelt kapcsolóból állnak. Jelentõségük a különbözõ áramkörök galvanikus leválasztásában van. Illetve kis árammal

nagy

áramú

gépek

vezérlésében.

Régebben

a

telefonközpontokban is ilyen jelfogók üzemeltek és kapcsolták össze a vonalakat. A számítástechnikában a vasmag mérete és a zárás lassúsága miatt nem alkalmazhatóak. A reed jelfogó egy üvegcsõbe zárt érintkezõpár, amelyek mágneses tér hatására összezárnak. A bicikli sebesség mérõjében használják õket (mágnes a küllõn, reed a villán).

19

32. Villanymotorok Az armatúrát alkotó tekercset áram alá helyezve létrejön egy mágneses tér, mely megegyezik az armatúrát körülvevõ mágnesek által keltett és taszító erõk lépnek fel. Mivel az armatúra szabadon elfordulhat addig fordul amíg a mágneses terek egyensúlyba nem kerülnek (É-D, D-É), mivel azonban a kefék alatt az érintkezõk elfordulnak az egyensúly beállása elõtt változik a tekercs polaritás és ismét fellép a taszító erõ és a tekercs tovább fordul. A villanymotorok alkalmazása azért jobb a robbanó motorokénál,

mert

távolról

is

vezérelhetõek,

egyszerûbb a felépítésük (kevesebb hibalehetõség), az egyenáramú motorok forgás iránya könnyen megfordítható, szinte bármilyen méretben elkészíthetõek. A számítógépekben a rázkódás elkerülésének érdekében nem a nehéz armatúrát forgatják, hanem egy mágneses gyûrût, ami egyenletesebben forgatható, illetve a léptetõ motorok megvalósítás is egyszerûbb ha az armatúra fixen rögzített.

33. Félvezetõk feszültség és áramviszonyai (drift és diffúziós) A drift áram elektromos térben jön létre elektromos töltéshordozók révén. A töltéshordozók sebessége np=mp*E illetve nn=-hn*E m– az egységnyi térerõsség hatására fellépõ elektron sebesség (m=nű ) képletekkel írhatóak le. A diffúz áram töltéskoncentráció különbség hatására jön létre a vezetõben. A diffúz áramsûrûség jellemezhetõ: -JDP=-q*DP*(dp/dx) JDn=q*Dn*(dn/dx)

34. A kristályok szennyezése Tiszta szerkezeti félvezetõk: szilícium (Si), germánium (Gr), gallium-arzanid (GaAs), gallium foszfát (GaP). A szilícium atomok (kék) négy vegyértékûek így a 4 elektron (piros) szerves részét képezi a rácsnak, nem tudnak a helyükrõl elmozdulni, azért szigetelõként viselkedik. Hõ hatására azonban egy- egy elektron 20

képes kilépni, ott lyuk keletkezik, ahova egy másik kilépett elektron be tud illeszkedni, semlegesítik egymást, ez a rekombináció. Az egyensúly nem borul fel, mert az elektronok és a lyukak száma mindig ugyan annyi. Az elektron és a lyuksûrûség szorzata: ni*pi=konst*T3*e k*T/Wti T – kristály hõmérséklete Wti– a tiltott energiasáv szélessége K – Boltzmann állandó

21

A szilícium rácsszerkezetébe be lehet helyezni szennyezõ atomon aminek 5 vegyérték elektronja van (donor ion, pl.: foszfort – sárga). Aminek az egy szabad elektronja nem tud kötést létesíteni így a meleg hatására ugyan úgy keletkeznek a lyukak és az elektronok, de biztos, hogy több lesz az elektron, így N (negatív) típusú félvezetõt kapunk. Ha ugyan így elhelyezünk egy 3 vegyértékû atomot (akceptor ion, pl.: bor – rózsaszín). Mivel neki 3 elektronja van ott egy lyuk keletkezik, amit egy elektron képes elfoglalni. Melegítés hatására most a lyukak lesznek többségben, így P (pozitív) típusú szennyezõdésrõl és félvezetõrõl beszélünk A szennyezés mértéke lehet gyenge vagy erõs, attól függõen, hogy 107vagy 104 Si atomra jut egy szenynyezõdés.

35. Félvezetõ diódák anyagai, karakterisztikái, jellemzõk Ha egy kristály két oldalát ellentétesen szennyezzük, akkor 3 réteget kapunk. Két oldalon a két szennyezett P illetve N réteget és a kettõ között lévõ záróréteget, mely lehet szigetelõ vagy éppen vezetõ, attól függõen, hogy milyen polaritású áram halad át rajta. Az így elkészített elemet diódának nevezzük. A karakterisztikáról leolvasható, hogy a dióda az egyik irányban közel lineárisan vezetõ, és úgy is viselkedik. A másik irányba pedig egy bizonyos feszültségig szigetelõ, szakadásként viselkedik. A letörési pontnál a dióda tökre megy és vezetõvé válik. Egy bizonyos nagyobb áramerõsségnél szintén tönkre megy és minden áramirányra vezetõként vagy szigetelõként viselkedik. A dióda jellemzõje a nyitó feszültség, mely könyökpontot adja meg. E felett a dióda még szigetelõként viselkedik, e pont felett kezd el vezetni. A dióda másik jellemzõje a termikus feszültség. Fokonként változik a nyitó feszültség, ez jó, mert használható hõmérséklet mérésre, hátránya, hogy tervezni kell vele. Ut= (k / q) * T k = 1,38 * 10-23 J/K q = 1,6 * 10-19 oC T – a hõmérséklet abs. Skálán mérve Körülbelüli értéke: 2 mV / °C Si és Ge diódák összehasonlítása: Típus

Uf(V)

Is

Ymax (oC) 22

Rny (Ohm/mm2)

Rz (M*Ohm)

Ge Si

0,2~0,4 0,5~0,8

100nA 10pA

90 200

6~10 1~50

0,1~10 1~3000

A diódákat fõként egyenirányításra használják, mert a váltakozó áram egyik félperiódusát engedi csak át.

23

36. Diódák nagyfrekvenciás viselkedése A réteg diódák a réteges felépítés miatt rendelkeznek némi kapacitással is, amivel szintén számolni kell, mert magasabb frekvencia esetén teljesen vezetõvé vagy teljesen szigetelhetõvé válhat. A diódák pn átmeneti rétege meghatározott kapacitást képvisel, minnél nagyobb a felület, annál nagyobb kapacitás. Nagyobb frekvenciákon a Cd söntöli a diódát, így az egyenirányító-hatás leromlik. Ha kapcsolásra használjuk a diódát, akkor bekapcsolásnál töltések halmozódnak fel, a kikapcsolás pedig ténylegesen akkor kezdődik, ha a felhalmozott töltések a pn átmenetből már kiürültek. Ha UB negatív, a dióda lezár, UB≈UK. UB pozitívba ugrik, a dióda kinyit, UK=UF, a kimeneti feszültség megegyezik a nyitófeszültséggel. A nyitott dióda pn átmenetén ilyenkor töltések halmozódnak fel. UB újabb negatívba ugrása után, az UK csak a töltések kikerüléséhez szükséges tS töltéstárolási idő eltelte után, késleltetetten tudja újra felvenni az UK=UB értéket.

37. Diódák kapcsolóüzemû jellemzõi Ha a diódát kapcsolóüzemben mûködtetjük (ami az informatikában meglehetõsen gyakori, akkor számolni kell azzal, hogy a dióda nem ideális (mint a 1. grafikonon) hanem van neki némi kisülési ideje (2. grafikon).

38. Különleges diódák (?teljesítmény?, réteg, tûs, Schottky) Teljesítménydiódák Zárófeszültsége: 100-3000 V Áram: 10-1000 A Anyaga legtöbbször szilícium, a karakterisztikájának görbéje nagyon meredek. Nagyon kicsi az ellenállásuk. Nagy teljesítményűek, kicsi a mérete, ezért hűtőbordákkal fedett. Rétegdióda Lásd feljebb Tûsdióda A félvezetõ anyagra egy arany vagy wolfram tût szorítanak, mely a nyomás és a formázáskor kapott áramlökés hatására néhány atom vastagságban ötvözõdik és itt alakul ki a záróréteg. A diódára jellemzõ, hogy kicsi a kapacitása azért nagy frakvenciákon is jól használható, ugyan akkor a vékony tû miatt kicsi a teljesítmény tûrése. 24

Germániumból is készülhet, ekkor egy tűhegyes huzal és a kristály találkozásánál alakul ki a pn átmenet. Kicsi rétegkapacitás, kedvező nagyfrekvenciás viselkedés. Schottky-dióda Fém-félvezetõ kialakítás. Szinte nincs töltés tárolása, azért nagyon gyors kapcsolásra képes (100 ps) és nagyon alacsony a nyitó feszültsége (Uf= 0,3V).

25

39. Diódák alkalmazásai, egyenirányítás (egyutas, kétutas) Egyutas egyenirányítás: A dióda csak az egyik fél periódust engedi át. Kétutas egyenirányítás:Egy másik diódát is bekötve az elõzõvel ellentétes irányba,akkor az a másik félperiódust is átengedi. Kondenzátorokkal kiegészítve a kapcsolást a váltakozó áramból közel egyen áramot tudunk elõállítani.

40. Diódák alkalmazásai, kapcsolóüzem (ÉS, VAGY kapuk) 41.Diódák alkalmazásai, feszültségstabilizátor (Zener dióda) A rohamos

töltéshordozó növekedéséhez kapcsolódó rendkívül meredek

áramnövekedés

nagyon

kis

feszültségváltozással

történik,ezért gyakran használják vágó, határoló áramkörökben, feszültség-stabilizáló kapcsolóknál. Minél kisebb a differenciális ellenállás, annál jobb stabilizátor. A rá jellemző Zener feszültségként (UZJ) általában azt az értéket adják meg, amely egy IZJ referenciaáramértéknél

(5mA)

az

adott

első

„letörési”

jelleggörbéken kimetszhető. A lekisebb differenciális ellenállás kb a 8Vos diódáknál észlelhető, a bal- és jobb felé meredekség

kedvezőtlenebbül

alakulà

stabilizálásnál nem olyan jó használni a kisebb feszültségű Z- diódákat.

42. Fotodiódák karakterisztikája és alkalmazásai Ha a fotodiódára záróirányú feszültséget kapcsolunk, és fokozatosan megvilágítjuk, akkor fokozatosan kezdi átengedni az áramot. Alkalmazzák fényképezõk

többek

fénymérõ

között

távirányítású

eszközeiben.

eszközökben,

(Sötétáram:megvilágítás 26

nélkül folyik át a fotodiódán. Magában foglalja az áramot generáló háttér sugárzást és a záró rétegben fellépõ telítõdést) Nem feltétlenül igényelnek külső feszültség generátort.

27

43. LED dióda karakterisztikája és alkalmazása A dióda határrétege fényt bocsájt ki, mely az átlátszó tokozásnak köszönhetõen érzékelhetõ. A kibocsájtott fény színe függ a használt félzevetõktõl: •

GaAs (gallium-arzenid) – infravörös

•

GaAsP (gallium-arzenid-foszfit) – vörös, narancs, sárga

GaN (gallium-nitrit) – zöld C (gyémánt) – ultraibolya Alkalmazzák õket távirányítókban, (infravörös),

jelzõ

lámpákban,

telefonokban,

kijelzõkben.

Az

adat

autó

átvitelben lámpákban,

élettartamuk

és

a

fogyasztásuk miatt gazdaságosabb az üzemben tartásuk, mint

a

hagyományos

izzóknak.

Karakterisztika:

http://nimrud.eet.bme.hu/elektronika/ppt/03_dioda.ppt#316,10,A dióda legfőbb tulajdonságai

44. Kapacitásdióda karakterisztikája és alkalmazása A p-n átmenet feszültség változása kapacitás változást okoz a diódában, ami kisebb a normál diódákénál (5-300 pF). Nagyobb zárófeszültséget képes elviselni. Nagy frek-venciás rezgõkörökben alkalmazzák õket. A zárófeszültség növekedésekor az elemi kapacitásként viselkedő töltéshordozó-párok eltávolodnak egymástól, ezért kapacitásuk értelmében csökken, a zárófeszültség csökkentésekor a kapacitás növekszik.

45. Mágnesdióda karakterisztikája és alkalmazása A germánium félvezetõ p és n zónája közé egy kis vezetõképes szakaszban az elektronok és a lyukak semlegesítik egymást. A semlegesítés mértéke mágneses térben megváltozik, vagy az r zóna felé, vagy attól távolodva elhajlik. Ha az r zónába elektronok kerülnek, azok rekombinálódnak és eltűnnek, így az elektromos áramot kevesebb töltés tudja továbbítani, az ellenállása növekszik Ezzel alkalmassá válik a dióda mágneses térerõsség mérésére. Nagyon hőfokfüggű ez a dióda, ellenállása csökken a hőmérséklet növekedsével.

46. Bipoláris tranzisztor bemeneti és kimeneti karakterisztikája és felépítése A tranzisztort (transzfer resistor) 1949-ben fejlesztették ki a Bell laboratóriumában. A bipoláris 28

elnevezés arra utal, hogy az áram benne a „lyukak” és az elektronok közvetítéséve folyik. Kétféle típusa létezik, a PNP és az NPN tranzisztor, ami egyben a felépítését is jelenti (P – pozitív blokk, N – negatív blokk). Az egyes blokkokat szilíciumból, germániumból vagy más félvezetõbõl készítik. A 3 réteghez egy-egy kivezetés tartozik, kollektor, bázis, emitter. IE=IC+IB UCE=UCB+UBE Karakterisztikája A karakterisztikáról leolvasható, hogy ha a fekete-fehér kép, bal oldala szerint kötjük be, akkor a bázison befolyó áramot növelve nõ a feszültség, mind a bázis és az emitter, és a emitter kollektor között Kimenõ karakterisztika Az ábra megmutatja, hogy adott bázis áramnál (kék vonalak), adott kollektor – emitter feszültségnél (vízszintes) a kollektoron mekkora áram lép ki. Függvénnyel így írható IC=fK(UCE,IB) A kék normál mûködési tartományban ez jól számolható, ott közel lineáris a függvény, viszont a sárga tartományban nagyon bizonytalan a tranzisztor mûködése. Mivel a tranzisztorokat is egy bizonyos terhelésre terveztek, nem szabad kilépni a piros vonallal határolt területrõl. Ott a tranzisztort túl nagy disszipációs teljesítmény (melegszik) éri. (??? P=IC*UCE)

29

47. Tranzisztor erõsítése (B és ?), meredeksége (S) A tranzisztor legfõképpen erõsítésre használják. A bázison kapott jelet erõsíti fel és adja le a kollektoron. Ehhez persze kell egy külsõ betáplálás, amit az emitteren keresztül kap meg. A tranzisztor meredekségén azt értjük, hogy a bázis emitter közötti feszültség (U BE) függvényében hogyan változik a kollektoron és emitteren átfolyó áram (ICE) S= IC/ UBE ezt deriválva kapjuk: S=IC/UT

48. Tranzisztorok betû- és számjelzése A tranzisztorok tokozásán található egy sorozatszám, mely két betûbõl és számokból áll. Az elsõ betû a tranzisztor anyagát határozza meg: szilícium ( B ), germánium ( A ), különleges ( C ). A második pedig a felhasználási területrõl árulkodik: hangfrekvenciás ( C ), nagyfrekvenciás ( F ), kapcsolóüzemű (S), teljesítmény (hangfrekvenciás) ( D ), teljesítmény (nagyfrekvenciás) ( L ), teljesítmény (kapcsoló) ( U ). Az ezután lévõ számok a pontos típust határozzák meg.

49. A tranzisztor teljesítmény viszonyai A tranzisztorok érzékenyek a teljesítményre és az ezzel járó hõre. Ezt a tervezésnél figyelembe kell venni és megfelelõ hûtõfelületeket kell használni. Pd=UCE*ICE+UBE*IB~UCE*IC Pd– disszipációs teljesítmény, az áram keltette hõ A katalógusokban a Pdmax-ot vagyis azt a disszipációs teljesítményt amit még károsodás nélkül elvisel az eszköz 25°C-ra szokták megadni.

50. Földelt emitteres kapcsolási rajza, karakterisztikája és jellemzõi Munkapont beállítása: A bázisosztót alkotó ellenállások értéke, a munkaponti adatok segítségével meghatározható

30

Kisjelû vezérlés jellemzõi: Feszültségerõsítés: közepes

mûködési

frekvencián (1kHz) dolgozunk, tehát a kondenzátorok rövidzárnak tekinthetõk. A feszültségerõsítés a kimeneti fesz. és a bemeneti fesz. hányadosa Áramerõsítés: a kimeneti áram és a bemeneti áram hányadosa: Teljesítményerõsítés: a teljesítményerõsítés és áramerõsítés abszolút értékének szorzata Bemeneti ellenállás: az az ellenállás, amely az erõsítõ bemenetét lezárja, ha a meghajtó generátort nem vesszük figyelembe Kimeneti ellenállás: az az ellenállás, amely az erõsítõ kimenetét lezárja, amikor a terhelõ ellenállás nem terheli a kimenetet Frekvenciafüggés: A váltakozó áramú helyettesítõ kapcsolásban a csatoló kondenzátorokat közepes frekvencián, váltakozó áramú szempontból rövidzárnak tekintjük. Alacsonyabb frekvenciákon ezek a kondenzátorok szintcsökkenést okoznak, mivel frekvenciafüggõ feszültségosztót alkotnak az õket terhelõ ellenállással. A szintcsökkenés általában nem lehet nagyobb mint 3 dB Az emitter kondenzátor alacsony frekvencián már szakadás. Kisfrekvenciás erõsítéscsökkenést okoz, de megnöveli a kapcsolás bemeneti ellenállását is. Méretezésnél az a cél, hogy az erõsítõ alsó határfrekvenciáján is közelítõen zárja rövidre az emitter ellenállást.

31