SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY Učební obor: ELEKTRO – bakalářské studium Počet hodin: 90 z toho 30 hodin v 1. semestru 60 hodin ve 2. semestru Předmět je zakončen zápočtem v 1. semestru a zápočtem a zkouškou ve 2. semestru.
doc. Ing. Jan LEUCHTER, Ph.D. Tel. 44 3660 Email:
[email protected] Kancelář. KŠ 5A/ 91 http://user.unob.cz/leuchter/výuka.htm 1
SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY Předmět se zabývá technickým oborem součástkové základny elektrotechniky. Cílem předmětu je získat přehled o klasifikaci součástek elektroniky, jejich základních fyzikálních a specifických elektrických vlastnostech a parametrech.
LITERATURA Přednášky: S-2593/I, II Laboratorní návody: S-2441 Studijní práce: S-26/A 2
SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY 1. semestr P.č. Forma 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 P 8 P 9 P 10 P 11 P 12 P 13 P 14 P 15 2. semestr
Hod 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
Místo
Téma výuky Vlastnosti materiálů v elektromagnetickém poli Elektrovodné a odporové materiály Izolanty Magnetické materiály Polovodiče Fyzikální jevy v homogenních polovodičích Přechod PN a MS Fyzikální jevy v přechodu PN Rezistory a kondenzátory Cívky a piezoelektrické součástky Chemické zdroje Polovodičové diody Fyzikální princip bipolárního tranzistoru Stejnosměrné charakteristiky bipolárního tranzistoru Střídavé charakteristiky bipolárního tranzistoru
3
SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY 2. semestr 1 P 2 P 3 P 4 L 5 P 6 P 7 P 8 L 9 P 10 P 11 P 12 L 13 P 14 P 15 P 16 L 17 P
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
KS5A/92
KS5A/92
KS5A/92
KS5A/92
Unipolární tranzistory Tyristory Práce s charakteristikami tranzistoru Měření na diodách Technologické principy výroby integrovaných obvodů Analogové integrované obvody Integrované zesilovače a stabilizátory Měření stejnosměrných charakteristik bipolárního tranzistoru Principy číslicových integrovaných obvodů Číslicové integrované obvody kombinační Číslicové integrované obvody sekvenční Měření na integrovaných zesilovačích a stabilizátorech Polovodičové paměti a mikroprocesory Převodníky A/D a D/A Technologie plošné montáže Měření na ČIO obvodech kombinačních Charakteristiky optického záření
4
SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
P P P L P P P L P P P L L L
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2
KS5A/92
KS5A/92
KS5A/92 KS5A/92 KS5A/92
Charakteristiky optického záření Aplikace fyzikálních jevů v součástkách optoelektroniky Optické zdroje Měření na klopných obvodech Optické modulátory Optické detektory Plošné detektory CCD a CMOS Měření na čítačích a registrech Optická vlákna Optická vlákna v komunikacích a senzorech Funkční bloky optoelektroniky Měření na převodnících A/D a D/A Měření na fotodiodách a luminiscenčních diodách Závěrečné přezkoušení
5
SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY Vývoj součástkové základny (elektroniky) od počátku 20. století lze charakterizovat typickými etapami : 1) Klasická součástková základna (elektronky) …do 2 sv. války 2) Miniaturizace součástkové základny (miniaturní elektronky) …v průběhu 2 sv. války 3) Subminiaturizace součástkové základny (polovodičové diskrétní součástky) 4) Mikrominiaturizace součástkové základny (přechod k integrovaným obvodům) 6
Rozdělení součástek elektroniky A) Diskrétní (realizují základní funkce…rezistivitu, zesílení), B) Integrované obvody (realizují složité funkce). B1) analogové B2) číslicové A) Standartní (běžně dostupné v katalogu výrobce) B) Zákaznické (pro specifické požadavky zákazníků) 7
Rozdělení součástek elektroniky 1. součástky, označované často jako PASIVNÍ tj. • rezistory, • kondenzátory, • cívky, transformátory • pojistky, přepěťové ochrany, jističe • diskrétní polovodičové prvky tj. diody, tranzistory a tyristory. 8
SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY 2. Součástky mikroelektroniky a optoelektroniky • analogové integrované obvody, • analogově digitální a digitálně analogové převodníky, • číslicové integrované obvody, • součástky optoelektroniky (zdroje, detektory, optická vlákna). 9
Charakteristiky a parametry diskrétních součástek Stejnosměrné charakteristiky Stejnosměrné vlastnosti diskrétních součástek popisují nejúplněji voltampérové charakteristiky, tj. závislostmi napětí a proudů v součástce, stručné nazývané VA charakteristiky. Podle závislosti napětí a proudu můžeme ss. charakteristiky rozdělit na:
•lineární, •nelineární. 10
lineární
nelineární
I
I
U
U
I
I
U
U
a)
b) 11
a dále existují tzv. charakteristiky nelineární parametrická (např. Tr) I2 I1=60µA I1=40µA I1=20µA
U2 I2 I1
U2
U1 c) 12
Charakteristiky a a parametry diskrétních součástek Stejnosměrné parametry jsou nejčastěji udávány z průběhů VA charakteristik v daném pracovním bodě P. I
U
Dynamické parametry závislost na frekvenci 13
Diferenciální parametry I
I t
U
U nelineárních VA charakteristik se často udávají diferenciální parametry, které určují strmost – LINEARIZACÍ blízkém okolí zvoleného pracovního bodu P a malých změn napětí a proudů. Typicky se udává tzv. DIFERENCIÁLNÍ ODPOR Rd
U
t
I P
∆I ∆U
U 1/Rd = dI/dU ≈ ∆I/∆U
14
Dynamické charakteristiky a parametry Prakticky všechny součástky elektroniky používané ke zpracování a přenosu střídavých veličin (časových průběhů napětí, proudů) mají své charakteristiky a parametry závislé na rychlosti změn aplikovaných napětí a proudů tedy na FREKVENCI. Např. ideální rezistor představuje pouze rezistivitu R nezávislou na frekvenci procházejících střídavých proudů a působících střídavých napětí. Reálný rezistor má vždy i určitou kapacitu C a indukčnost L. 15
Dynamické charakteristiky a parametry Výsledkem působení kapacitních a indukčnostních vlastností součástek jsou STŘÍDAVÉ DYNAMICKÉ CHARAKTERISTIKY (nejčastěji závislosti na frekvenci) Podle použité frekvence třídíme na: • • • •
Nízkofrekvenční (do 300 kHz) Vysokofrekvenční (300 kHz – 300 MHz) Mikrovlnné (300 MHz – 300 GHz) Optoelektronické 16
Dynamické parametry Dynamické parametry nejčastěji popisujeme následujicím způsobem. • náhradním schématem, • časovými závislostmi a parametry na nich definovanými, • frekvenční charakteristikou a na ní definovanými kmitočty.
17
Frekvenční charkteristika Vychází z matematické metody Fourierovy transformace, umožňující rozklad jakéhokoliv časového průběhu na součet harmonických - sinusových signálů určité amplitudy a fáze. Při měření frekvenční charakteristiky určujeme přenos amplitudy a fáze součástkou nebo obvodem. Uoi (ωi)/UIi(ωi) AUi(ω) Am 0,707Am
ωi c)
∆ω
ω 18
Závislost parametrů na působení fyzikálních veličin Většina součástek elektroniky (zvláště polovodičových ) má charakteristiky a parametry N závislé kromě napětí a proudů i na dalších fyzikálních veličinách X (především na teplotě) Např. teplotní součinitel rezistivity TKX = [1/ X(ϑ0)] dX /dϑ kde je X - sledovaná veličina, ϑ0 - vztažná teplota (často 25°C), ϑ - teplota. 19
Charakteristické a mezní parametry Každá součástka je určena: • pro dané provozní podmínky • pro daný pracovní režim Charakteristickými parametry (napětí, proudy, frekvence aj.) Pozn. Minimální hodnoty mohou vést k tomu, že součástka neplní svoji funkci, Překročení maximálních mezních hodnot, může vést k nevratným změnám až ke zničení 20
Charakteristické a mezní parametry Např. typické jsou mezní hodnoty napětí Umax, proudů Imax, výkonů Pmax=Ptot, teploty Tmax a i fmax. Zejména ztrátový výkon P se u součástek mění v teplo, přičemž musí nastat rovnovážný stav mezi ohřevem a odvodem tepla do okolního prostředí o dané provozní teplotě okolí Ta závislý na rozdílu SPÁDU TEPLOT Tmax-Ta charakterizovaném tepelnýn odporem Rth Pmax=(Tmax-Ta)/Rth Pozn. při překročení mezních hodnot parametrů výrazně klesá provozní spolehlivost součástek. 21
Spolehlivost součástek elektroniky Spolehlivost součástek je definována jako vlastnost zabezpečující správné plnění jejich funkční činnosti. Spolehlivost závisí na: • Technologii výroby, • Konstrukční úpravě, • A provozních podmínkách. K hodnocení se zavádí tzv. INTEZITA PORUCH, STŘEDNÍ DOBA BEZPORUCHOVÉ ČINNOSTI, PRAVDĚPODOBNOST BEZPORUCHOVÉ ČINNOSTI a další. 22
INTEZITA PORUCH Intenzita poruch λ (t), nejčastěji (%/1000h)
n(t ) λ (t ) = N (t )∆t Z výroby se vyčlení statisticky vyhodnotitelný soubor posuzovaných součástek N(t) (např. 1000 kusů) nastaví se do provozního režimu po dobu ∆t (např. 1000 h). Po uplynutí ∆t je n(t) (např. 10 kusů) součástek vydných nebo mají zhoršené parametry. Pak λ (t)=10/1000·za 1000h= 0.01= 1% / 1000h 23
Časový průběh intenzity poruch obsahuje následující oblasti: oblast A – oblast častých poruch, relativně krátký úsek v němž příčina poruch je obvykle ve výrobním procesu, oblast B – oblast náhodných poruch, kdy se poruchy vyskytují bez zjevné příčiny, oblast C – oblast poruch dožitím, kdy poruchy vznikají stárnutím.
A
B
C
λ(t)
t
24
Cesta k dosahování vysoké spolehlivosti elektronických zařízení spočívá ve výběru nejlepších součástek, často zvlášť konstruovaných pro dosažení vysoké spolehlivosti a vhodné konstrukci zařízení, zaručující správné využití součástek. Jednotlivé součástky i zařízení musí projít po určitou dobu zkušebním provozem, aby se vyloučily závady, ovlivňující vysokou poruchovost v v počátečním období provozu. Dosahované vysoké hodnoty spolehlivosti vedou k nárostům výrobních nákladů.
25
