ZÁKLADNÍ ŠKOLA ČESKÝ KRUMLOV Za Nádražím 222, 381 01 Český Krumlov
ABSOLVENTSKÁ PRÁCE ZÁKLADY ELEKTRONIKY
Autor práce:
Jan Fučík, IX.B
Vedoucí práce: Mgr.Zdeněk Pilař Školní rok:
2010–2011
©2011 Základní škola Za Nádražím, Český Krumlov
[email protected]
Obsah: ÚVOD
3
1. ELEKTRONKA, ZÁKLAD ELEKTRONIKY
4
1.1. EDISONŮV EFEKT 1.2.JAK PRACUJE ELEKTRONKA 1.3.TYPY ELEKTRONEK 1.3.1. DIODA 1.3.2 TRIODA 1.3.3. TETRODA 1.3.4.PENTODA 1.3.5 SVAZKOVÉ ELEKTRONKY 1.4. THOMAS ALVA EDISON 2.
3.
4 4 5 5 5 5 5 6 6
TRANZISTOR, NÁSTUPCE ELEKTRONKY
7
2.1. KONSTRUKCE TRANZISTORU 2.2. PŘECHOD NPN 2.3 PŘECHOD PNP 2.4 VYNÁLEZCI TRANZISTORU
7 7 8 8
INTEGROVANÉ OBVODY
9
3.1. VEJDE SE JICH TAM PŘES MILION 3.1.1. JEDNOELEKTRONOVÝ TRANZISTOR 3.2. POČÍTAČOVÉ ČIPY 3.2.1. BINÁRNÍ SOUSTAVA, ASCII KÓD 3.3. LOGICKÉ ČLENY 3.3.1. LOGICKÝ ČLEN AND LOGICKÝ SOUČIN 3.3.2. LOGICKÝ ČLEN NAND NEGACE LOGICKÉHO SOUČINU 3.3.3. LOGICKÝ ČLEN OR LOGICKÝ SOUČET 3.3.4. LOGICKÝ ČLEN NOR NEGACE LOGICKÉHO SOUČTU 3.3.5. LOGICKÝ ČLEN NOT NEGACE LOGICKÉHO SIGNÁLU
9 9 9 10 10 10 10 11 11 11
LITERATURA
12
ANOTACE
13
PŘÍLOHY PŘÍLOHA1 PŘÍLOHA 2
14 14 14
2
Úvod Odkud vzalo označení elektronika? Elektronika dostala svůj název podle toho, že veškerá elektronická zařízení fungují díky miniaturním elementárním částicím nazývaných elektrony. Elektrický proud protékající vodiči je proud elektronů. Jev proudících elektronů objevil v roce 1897 Joseph John Thomson při zkoumání elektrické vodivosti plynů. Ustálení pojmu elektronika přišlo ve 20. stol. jako odvětví elektrotechnika. Tento pojem si lze také představit jako složeninu slov elektron a technika. Tato práci jaksi odhalí páteř veškeré elektroniky tak jak se vyvíjela a vyvíjí dodnes.
3
1. Elektronka, základ elektroniky Za první elektronickou součástku je považována elektronka, vynález Thomase Alva Edisona. Elektronka umožnila vynález rádiových přijímačů, radarů a televizorů. Elektronku Edison objevil čirou náhodou, když se pokoušel zdokonalit žárovku, další ze svých vynálezů. Snažil se odstranit nedostatek žárovky, při kterém se z rozžhaveného drátu uvolňovaly částečky kovu. T y se usazovaly na vnitřní straně skla a žárovku zatemňovaly. Edison si myslel, že když do baňky přidá kus plechu, tak že se částečky na něm budou zachycovat. Tento nápad nevyšel, ale když plech a žhavené vlákno spojil s citlivým měřícím přístrojem, přístroj ukázal slabý elektrický proud. Tento jev se však objevil pouze tehdy, když spojil plech s klaným pólem baterie. Protože vědci v té době neznali elektrony, Edison nevěděl, že objevil něco do budoucna tak užitečného. Elektronky z televizního osciloskopu příloha č.1
1.1. Edisonův efekt Takzvaný Ediosnův efekt objasnil o několik let později Owen Richardson. Dospěl k závěru, že vysoká teplota rozžhaveného vlákna vypudila do vzduchu volné elektrony, které se tam mohly relativně volně pohybovat. Některé elektrony se přitáhly k plechu a jejich řetězec způsobil slabou vodivost, proto měřící přístroj ukazoval slabou intenzitu proudu.
1.2.Jak pracuje elektronka Dalo by se říci, že elektronku elektronkou učinila onen náhodně vložený kus plechu. Z rozžhaveného vlákna odletují vypuzené elektrony, které vytvoří řetězec. Takovýto řetězec elektronů vede proud a propojí žhavené vlákno s kovovou destičkou. Elektronka by neměla smysl, kdyby elektrony vypuzené z vlákna k destičce nebyly nijak usměrněné. Pro regulaci elektronů se mezi destičku a vlákno vkládá regulační 4
mřížka. Podle toho jak velký proud je na mřížku přiveden, zachycuje se na ní odpovídající množství elektronů. Čím větší je napětí na mřížce tím více elektronů se na ní zachytí.
1.3.Typy elektronek Názvy elektronek se odvozují od počtu elektrod uzavřených v jedné baňce. Jejich počet vyjadřují předpony di-, tri-, tetra-, atd. 1.3.1. Dioda Elektronka, která obsahuje pouze anodu a katodu, proud proudí pouze mezi anodou a katodou bez stínicích mřížek, či jiných regulátorů toku elektronů. Používala se jako usměrňovač. 1.3.2 Trioda Mezi katodou a anodou je umístěna řídící mřížka. Skrze takovou mřížku elektrony buď prolétávají nebo se při připojení záporného napětí odpuzují. V důsledku toho se proud mezi anodou a katodou snižuje. Používala se jako nejjednodušší zesilovač. 1.3.3. Tetroda Konstrukce tetrody vychází z konstrukce triody, mezi řídící mřížkou a anodou má ještě stínící mřížku. Tetroda se využívala jako jakýsi kompromis mezi nízkým zesílením triody a nízkou mezní frekvencí pentody. 1.3.4.Pentoda Mezi stínící mřížkou a anodou obsahuje ještě třetí hradící mřížku, která zpomaluje elektrony urychlené druhou mřížkou. Jedná se o nejběžnější typ elektronky.
5
nevýhodou je nízký mezní kmitočet, způsobený dlouhým průletem elektronů skrze mřížky. 1.3.5 Svazkové elektronky Přesně formované mřížky usměrňují tok elektronů. Tím se dosahuje menšího zkreslení výstupního signálu.
1.4. Thomas Alva Edison Po věcné stránce elektronku vynalezl Thomas Alva Edison, který kromě toho vynalezl žárovku. Ostatně díky tomu, že se neustále snažil vylepšit žárovku došlo k objevu elektronky. Dalším Edisonovým objevem byl fonograf přístroj určený pro záznam zvuku na voskový váleček. Tento přístroj však neodolal konkurenci gramofonů. Mezi další vynálezy patří např. tepelná pojistka, elektroměr, akumulátor na bázi NiFe, předvedl první elektrárnu a funkční elektrický rozvod.
6
2. Tranzistor, nástupce elektronky Elektronka si jistě našla místa svého využití, ale měla spoustu nevýhod, křehké skleněné baňky, dlouhá doba žhavení a žrout energie v podobě žhaveného vlákna. Cílem bylo vynalézt součástku, která by dosahovala podstatně menších rozměrů a nespotřebovávala by tolik energie. Tato součástka by se měla skládat z polovodičového krystalu, podobného tomu, který se požívá v diodách. Tímto problémem se zabývala trojice vědců William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Mnoho pokusů k výsledku nevedlo, 16.prosince 1947 se však podařilo dosáhnout na polovodičovém krystalu zesilovacího efektu. Dnes běžně užívaný tranzistor příloha č.2.
2.1. Konstrukce tranzistoru Tranzistor je polovodičová součástka, dnes už velmi malých rozměrů se třemi vývody, bází, kolektorem a emitorem. Značení vývodů v podobě B,K,E se používá u bipolárních tranzistorů. Podle uspořádání polovodičů se rozlišují tranzistory s přechodem PNP nebo NPN. NPN znamená uspořádání polovodičů, kolektor negativní, báze pozitivní a emitor negativní. Naopak je tomu u tranzistoru typu PNP. Zde platí kolektor a emitor jsou pozitivní a báze negativní.
2.2. Přechod NPN Tranzistor s NPN přechodem je používán častěji. Aby NPN tranzistor fungoval musí být připojen kladný pól zdroje ke kolektoru a záporný pól k emitoru. Pokud je takto tranzistor zapojen nastane následující situace. Přechod mezi negativním emitorem a pozitivní bází je průchozí, ale přechod mezi negativním kolektorem a bází je zablokován, protože záporně nabité elektrony jsou kladnými z baterie přitahovány. Aby se přechod mezi kolektorem a bází stal průchodným je třeba k bázi přivést 7
proud, přičemž kladný pól musí připojen na vývod báze. Tento proud tranzistor neopouští přípojkou kolektoru, ale vývodem báze.
2.3 Přechod PNP Tranzistor PNP je prakticky opakem toho s přechodem NPN. U přechodu NPN proud do tranzistoru vstupuje vývodem emitoru přesný opak toho je, že u NPN proud emitorem z tranzistoru vystupuje. Vyplývá z toho i jiné zapojení tranzistoru do obvodu. Báze tranzistoru NPN musí být připojena na kladný pól zdroje. U PNP je tomu naopak. Báze musí být připojena na záporný pól zdroje. Pokud by byla báze připojena na kladný pól zdroje tranzistor by stal závěrným.
2.4 Vynálezci tranzistoru Jak už bylo zmíněno tranzistor vynalezla trojice vědců ve složení John Bardeen, Walter Brattain a William Shockley. První jmenovaný byl fyzik a elektrotechnik, který jako zatím jediný získal dvě Nobelovy ceny za fyziku. Jendu získal v roce 1956 spolu s W.Brattainem a W. Shockleym za objev tranzistoru a tu druhou v roce 1972 za teorii konvekční supravodivosti. Po té co Walter Brattain získal titul Ph.d. (1929) pracoval v Národním úřadu pro míry a váhy ve Washingtonu D.C. Potom přešel do Bellových laboratoří v New Persey kde se před druhou světovou válkou zabýval výzkumem povrchu wolframu a později povrchu oxidů mědi. Po válce se připojil ke skupině Williama Shockleyho, který vedl výzkum polovodičů pro vytvoření polovodiče. Poslední jmenovaný se pokoušel v kalifornii vést svou vlastní firmu, která byla zaměřena na vývoj čtyřvrstvé diody, dnes známé jako tyristor.
8
3. Integrované obvody Integrované obvody jsou prakticky součástky. Nejsou to však součástky v pravém slova smyslu typu kondenzátoru nebo rezistoru. Hlavní rozdíl oproti těmto dvěma jmenovaným součástkám spočívá v tom, že integrované obvody se řadí mezi aktivní součástky. Integrované obvody mohou být složeny z milionů mikroskopických součástek především z tranzistorů. Jsou také nedílnou součástí počítačů a vůbec všech číslicových obvodů.
3.1. Vejde se jich tam přes milion Ano je to tak do jednoho integrovaného obvodu o rozměrech 5mm × 5mm se vejdou miliony mikroskopických součástek. v dnešní době se do jednoho integrovaného obvodu poskládají miliony součástek a jejich počet se stále zvyšuje, protože vědci objevují stále lepší technologie. A právě ke zmenšování integrovaných obvodů velkou měrou přispívá objev jednoelektronového tranzistoru. 3.1.1. Jednoelektronový tranzistor Tradiční tranzistoru při své funkci přesouvají obrovské množství elektronů. Jednoelektronový tranzistor si vystačí s daleko menším počtem elektronů, což umožňuje zmenšit i jeho celkovou velikost. Na jeden počítačový čip o velikosti nehtu se takových tranzistorů vejde i miliarda. Tradiční tranzistory jsou nejenom velké, ale oproti jednoelektronovým i málo výkonné. Přesun velkého množství elektronů si totiž vyžaduje nějaký čas, čímž se snižuje i celkový výkon např. počítačového čipu. Z toho vyplývá, že čím menší tranzistor, tím vyšší výkon.
3.2. Počítačové čipy Počítačové čipy se řadí mezi digitální techniku. Umožňují funkci počítačovým procesorům a pamětím, digitálním displejům apod. Jeden počítačový čip se skládá
9
z milionů mikroskopických tranzistorů. Počítačová pamět se však skládá ze stovek takových čipů. Jestliže na jednom čipu jsou miliony tranzistorů a jejich stavy zapíšeme číselným – digitálním kódem získáme obrovské číslo vyjadřující počet možných kombinací. Vynásobíme-li ono číslo počtem čipů v jedné paměti dostaneme celkový počet možných kombinací čísel 0 a 1. Počet kombinací vyjadřuje celkový výkon paměti. 3.2.1. Binární soustava, ASCII kód Binární soustava pracuje pouze se dvěmi číslicemi s „0“ a s „1“. Pokud tranzistorem na čipu proud neprochází, přiřazujeme mu číslo 0 pokud jím proud prochází číslo 1. Z tohoto děje vznikl ASCII kód, což je mezinárodně platné ustanovení číselných kódu jednotlivých číselných i písmových znaků.
3.3. Logické členy Moderní číslicové obvody využívají ke své funkci logické členy takzvaná hradla. Ty fungují stejně jako tranzistory na počítačovém čipu, buď z nich proud vystupuje nebo. Každý logický člen spíná na jinou kombinaci čísel 1 a 0. Podle toho jestli do vstupu vstupuje proud nebo ne proud z členu také vystupuje a nebo ne. 3.3.1. Logický člen AND logický součin Tento logický člen sestává ze dvou vstupů A a B a jednoho výstupu značeného Y. Ze členu AND proud vystupuje (log 1) pouze v případě, že jsou obě vstupní hodnoty současně rovny jedné. Je.li tedy jeden vstup v pozici log 0 proud neprochází. 3.3.2. Logický člen NAND negace logického součinu NAND se skládá ze stejných částí jako AND, ale funguje přesně opačně. Proud prochází pouze pokud jsou obě vstupní hodnoty v pozici log 0.
10
3.3.3. Logický člen OR logický součet OR sestává také ze vstupů A,B a výstupu Y. Zde se však hodnoty vstupu nenásobí, ale sčítají. Proud prochází ve třech případech a to pokud je alespoň jedna vstupní hodnota v pozici log 1. 3.3.4. Logický člen NOR negace logického součtu NOR je opakem OR stejně jako je NAND opakem AND. Složen také ze stejných částí jako OR. Proud však prochází pouze jsou-li obě vstupní hodnoty v pozici log 0. 3.3.5. Logický člen NOT negace logického signálu NOT sestává pouze ze vstupu A a výstupu Y. Proud vychází pouze v případě je-li vstup v pozici log 0. Hodnota log na výstupu je vždy opačná než na vstupu
11
Literatura Co Jak Proč : Elektronika. Plzeň : Fraus, 2008. 47 s. ISBN 978-80-7238-709-0. http://cs.wikipedia.org/wiki/Magick%C3%A9_oko DOLEČEK, Jaroslav. Moderní učebnice elektroniky 2. Polovodičové prvky a elektronky. [s.l.] : nakladatelství BEN - technická literatura, 2005. ISBN 80-7300-161-6. KALENDOVSKÝ, J.; STRNAD, Julius. Fotoelektrické články. Praha : ESČ, 1949. LUKEŠ, Jaroslav. Věrný zvuk. Praha : SNTL, 1962. STRNAD, Julius. Doutnavky. Praha : ESČ, 1947. STRNAD, Julius. Thyratrony. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1954. STŘÍŽ, Vítězslav. Katalog elektronek. Praha : SNTL / SVTL, 1965. STŘÍŽ, Vítězslav. Přehled elektronek. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1956.
STŘÍŽ, Vítězslav. Přehled elektronek – doplněk. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1968. Tesla Rožnov. Příruční katalog elektronek. Rožnov pod Radhoštěm : [s.n.], 1966 (např., katalog vycházel téměř každoročně). Tesla Rožnov. Televizní obrazovky pro barevné a černobílé televizní přijímače. Rožnov pod Radhoštěm : [s.n.], 1986. VLACH, Jaroslav; VLACHOVÁ, Viktorie. Lampárna aneb Co to zkusit s elektronkami. [s.l.] : nakladatelství BEN - technická literatura, 2004. ISBN 80-7300-091-1. ZUZÁNEK, Jaroslav; DEUTSCH, Jiří. Československé miniaturní elektronky I. Heptalové elektronky. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1959. ZUZÁNEK, Jaroslav; DEUTSCH, Jiří. Československé miniaturní elektronky II. Novalové elektronky. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1960. DEUTSCH, Jiří; KUBÁT, Arnošt; MUSIL, Jan. Československé miniaturní elektronky III. Televizní elektronky. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1959. ZUZÁNEK, Jaroslav. Přijímací elektronky. Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1962. http://352lab.vsb.cz/MinServer/PraceStud/LPaS/2002_2003/Foltynek/okruh1.htm
12
Anotace Dnešní elektronika není jenom o integrovaných obvodech a tranzistorech. Tento obor je velmi široký. Zahrnuje další velké množství aktivních i pasivních součástek. Tato práce poukazuje na jakousi páteř celé elektroniky. Ve svých dobách byla páteří elektronka, pak tranzistory a dnes to jsou integrované obvody s mikroskopickými součástkami. V budoucnu se najde jiný objev jež bude páteří elektroniky, třeba to budou nanosoučástky.
13
Přílohy Příloha1 Elektronku poskytl p. Vladimír Filistein
14
Příloha 2
Dnes tradiční provedení tranzistoru
15
