ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T700504

Transkriptio

1 ELEKTRONIIKAN PERUSTEET T SAH3sn-luokalle syksyllä 2014 OSA 1 Veijo Korhonen

2 Sisältö opinto-oppaan mukaan: Piirilevy- ja juotostekniikka. Passiiviset komponentit. Tavallisimmat puolijohdemateriaalit. Diodit ja niiden peruskytkennät. Ideaalinen vahvistin, vahvistusarvot. Desibelikäsite. Kanavatransistorien rakenne, toiminta ja peruskytkennät. CMOS-logiikkapiirit. Bipolaaritransistorit; rakenne, toiminta ja peruskytkennät. Suhde muihin lähi -opintojaksoihin Virtapiirien Elektroniikan Automaation perusteet perusteet elektroniikka ollut 1-luokalla NYT tulee keväällä 2015

3 Sisältö 1. Passiiviset komponentit 2. Puolijohdemateriaalit 3. Diodit 4. Bipolaaritransistorit 5. Kanavatransistorit 6. Ideaalinen vahvistin 7. CMOS-logiikkapiirit Osa 1 Osa 2 Omana juttuna: Piirilevy- ja juotostekniikka

4 1. Passiiviset komponentit 1.1 Vastukset 1.2 Kondensaattorit 1.3 Kelat ja muuntajat 1.4 Kiteet

5 1.1 Vastukset (engl. Resistor) Ideaalinen vastus Resistanssi eli kyky vastustaa sähkövirran kulkua Ohmin laki: R [Ω] = U [V] / I [A] R1 9k Reaalimaailman vastus Vastuksella on aina hajakapasitanssia ja induktanssia sekä muita epäideaalisuuksia

6 Lämpötilakerroin: vastuksen resistanssi riippuu ympäristön lämpötilasta R = R 0 (1 + α (T-T 0 )), R 0 = vastuksen arvo vertailulämpötilassa T 0 α = lämpötilakerroin Vakavuus: rasitustekijöiden (kuormitus, lämpötila, käyttöikä jne.) vaikutus resistanssiin Tehonkesto: suurin tehohäviö, jonka vastus pystyy turvallisesti synnyttämään P = U I = U 2 / R = R I 2

7 Kiinteät vastukset Massavastus: resistiivisestä seoksesta valmistettu tanko tai kalvo (halpa perusvastus ) Metallikalvovastus: keraamisen rungon päälle höyrystetty metallikalvo (kallis laatuvastus ) Hiilikalvovastus : keraamisen rungon päälle höyrystetty hiilikalvokalvo Lankavastus: keraamisen rungon ympärille kierretty vastuslanka (tehovastuksia)

8 Säätövastukset vastusrata, jonka päällä liikkuva liuku Potentiometri: käsin säädettävä vastus Trimmeri: työkalulla säädettävä vastus Liikerata voi olla kiertoliike tai suora Yksikierros tai monikierros (tarkempi) Muutos voi olla lineaarinen tai logaritminen kiertymäkulma liuku vastusrata Potentiometri Trimmeri

9 Säätövastuksen toiminta Säätövastuksessa on AINA kolme liitäntäpistettä: päätepisteet ja keskiliuku Päätepisteiden välinen resistanssi ei muutu säädettäessä! Keskiliu ulla vastus saadaan jaettua kahteen osaan Tyypilliset sovellukset: Säädettävä vastus: toinen pää jää käyttämättä Jännitteen jakaminen: kaikki kytkentäpisteet käytössä

10 Epälineaariset vastukset Lämpötilasta riippuvat vastukset: NTC (Negative Temperature Coefficient): Kun lämpötila kasvaa, niin resistanssi pienenee Toiminta yleensä epälineaarista, puolijohdemateriaalia PTC (Positive Temperature Coefficient): Kun lämpötila kasvaa, niin resistanssi suurenee Toiminta voi olla hyvinkin lineaarista, esim. platinaa, Pt100 LDR (valovastus): vastuksen resistanssi riippuu valaistusvoimakkuudesta. Vastusmateriaalina käytetään valoherkkää puolijohdetta VDR (varistori): resistanssi riippuu vastuksen yli olevasta jännitteestä. Materiaalina metallioksidi

11 -t Termistori (NTC) Valovastus: U Varistori

12 Vastusten mitoitus Vastussarjat kiinteät vastukset on jaettu ns. E-sarjoihin, jotka on standardoitu E6-, E12-, E24- ja E48-sarjaksi Yksi dekadi jaetaan logaritmisesti 6, 12, 24 tai 48 arvoon Rajallinen vastusarvojen määrä helpottaa mm. tuotantoa ja laskee komponentin hintaa Toleranssi Vastuksen todellinen arvo on ilmoitetun toleranssin rajoissa Toleranssi ilmoitetaan prosentteina esim. ±20% annetusta vastuksen arvosta

13 Vastusten mitoitus E12-sarjan arvot: Ω tai kω (tai MΩ) 1 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8, E12-sarjan toleranssi ±10 %

14 Vastusarvojen koodaus Aksiaalikomponenteissa käytetään värikoodausta ilmoittamaan vastusarvo ja toleranssi: kaksi (E6, E12, E24) tai kolme (E48 tai suuremmat) värirengasta kertoo merkitsevät numerot, seuraava rengas nollien määrän ja viimeinen rengas toleranssin Pintaliitoskomponenteissa käytetään numeroita ilmoittamaan vastusarvo: kaksi merkitsevää numeroa ja niitä seuraavien nollien määrä

15 Pintaliitosvastukset Jaetaan fyysisen koon mukaan 0201, 0402, 0603, 0805, 1206, 1210 jne. Koko määrää myös tehonkeston esim. 0201: 0.05 W Tehonkesto Ilmoitetaan yleensä +70 C, korkeampi lämpötila pienentää tehonkestoa (derating) Jaetaan ryhmiin: 0.05 W, 0.1 W, W, 0.25 W jne.

16

17

18 Vastusten piirisovellukset Virran rajoittaminen: sarjavastuksella voidaan rajoittaa virtaa I = U / R Jännitehäviön synnyttäminen: sarjavastuksella voidaan lisätä jännitehäviötä U = R I RC-piirissä aikavakion τ määrittämiseen: τ = RC

19 Vastusten kytkeminen Sarjaan: R tot = R 1 + R 2 + R 3 Rinnan: 1/R tot = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3

20 Jännitteenjako: kahden tai useamman vastuksen sarjaan kytkentä R 1 U 1 U 1 U tot U tot R 2 U 2 U 2

21 1.2 Kondensaattorit (eng. Capasitor) Ideaalinen kondensaattori Kapasitanssi, kyky varastoida sähkövarausta (Coulombin laki): Q = U C C = ε 0 ε r A/d A = pinta-ala, d = etäisyys Kapasitanssin yksikkö on faradi [F] ja tunnus C C1 1.6u Kondensaattori läpäisee vaihtovirtaa ja estää tasavirran kulun

22 Reaalimaailman kondensaattori Kapasitanssin rinnalla on vuotovirrasta ja sarjassa häviöistä johtuvat resistanssit sekä sarjainduktanssi Lämpötila vaikuttaa kondensaattorin kapasitanssiin ja joillakin kondensaattoreilla kerroin ei ole vakio Häviöitä muodostavat liitosresistanssit, vuotovirta sekä eristeaineen polarisoituminen (Equivivalent Series Resistance, ESR) Tehohäviöt lämmittävät kondensaattoria P = U Rs 2 / R s = I 2 R s

23 Kiinteät kondensaattorit (1/3) Paperieristeiset Alumiinifoliot, joiden välissä paperieriste (ε r 1) Halpa, ei kestä kosteutta ja korkeita lämpötiloja Muovieristeiset Eristeenä polyesteri, (ε r 3,3): suurimmat häviöt, paras jännitekesto polykarbonaatti tai (ε r 2,8): pienemmät häviöt polystyreeni (ε r 2,5): parhaat ominaisuudet, kallein Maksimitaajuus < 10 MHz

24 Kiinteät kondensaattorit (2/3) Keraamiset Eristeenä metallioksidi Ryhmä 1 (ε r 1 250): pienet häviöt, maksimi taajuus > 1GHz Ryhmä 2 (ε r > 250): suuret häviöt, lämpötilakerroin pieni Ryhmä 3 (ε r ): erittäin suuret häviöt, pieni toleranssi Kiille Eristeenä kivimateriaali, kiille (mica) Lämpötilakerroin ja häviöt pieniä Kallis

25 Kiinteät kondensaattorit (3/3) Elektrolyyttikondensaattorit Toisena elektrodina alumiini tai tantaali levy, jonka pinnalla on ohut oksidikerros Toisena elektrodina toimii kotelossa oleva elektrolyytti, johon metallielektrodi on upotettu nestemäinen elektrolyytti => märkä elko (alumiini) kiinteä elektrolyytti => kuiva elko (tantaali) Unipolaarisia eli jännite voidaan kytkeä vain toiseen suuntaan Hinnaltaan edullisia ja niillä saavutetaan suurin kapasitanssi/tilavuus -suhde

26 Kondensaattorin mitoitus Kondensaattorisarjat: kiinteät kondensaattorit on jaettu ns. E-sarjoihin, jotka on standardoitu E6-, E12-, E24- ja E48-sarjaksi Yksi dekadi jaetaan logaritmisesti 6, 12, 24 tai 48 arvoon Rajallinen arvojen määrä helpottaa mm. tuotantoa ja laskee komponentin hintaa Toleranssi Kapasitanssin todellinen arvo on ilmoitetun toleranssin rajoissa Toleranssi ilmoitetaan prosentteina esim. ±20% annetusta arvosta

27 Säädettävät kondensaattorit Muodostuu kahdesta metallilevypakasta, paikallaan pysyvästä staattorista ja kiertyvästä roottorista Useimmiten ilmaeristeisiä Käytetään säädettävissä resonassipiireissä

28 Kondensaattorin piirisovelluksia Suodatus: RC-aikavakio määrää suodattimen kulmataajuuden (ω = 1/(R*C) ) Alipäästö- tai ylipäästösuodatus Ohituskondensaattori (by pass) sähkövarasto Stabiloi jännitettä Kytkentäkondensaattori (AC läpi, DC-erotus) Kondensaattorien kytkeminen Rinnan: C tot = C 1 + C 2 Sarjaan: 1/C tot = 1/C 1 + 1/C 2 HUOM! Just päinvastoin kuin vastuksilla!

29 1.3 Kelat (engl. Inductor) ja muuntajat Ideaalinen kela (transducer) Primäärinen ominaisuus induktanssi: kyky läpäistä tasavirtaa ja estää vaihtovirran kulku Tunnus L ja yksikkkö henry [H] L uH

30 Reaalimaailman kela Käämilangassa on resistanssia ja kierrosten välille syntyy hajakapasitanssia Pienillä taajuuksilla häviöt syntyvät resistanssista ja suurilla taajuuksilla pyörrevirroista Virran rajoitukseen käytettyä suurta kelaa kutsutaan kuristimeksi ja mekaanisen voiman tuottamiseen käytettyä kelaa kutsutaan solenoidiksi (sähkömagneetti)

31 Kela, kuristin

32 Kelan rakenne Sydänaineen mukaan kelat jaetaan Ilmasydämiset (tai muovisydämiset) Rautasydämiset Ferriittisydämiset Sydänaineen permeabiliteetti vaikuttaa induktanssiin L = μ 0 μ e N 2 A e / l e

33 Kelan piirisovelluksia Resonanssipiiri (RLC) Sarja- tai rinnakkaisresonanssin kulmataajuus määräytyy induktanssin ja kapasitanssin tulon neliöjuuren käänteisluvun mukaan ω = 1/ (L*C) => f = 1/(2π (L*C)) Resonanssipiiriä voidaan käyttää mm. suodatukseen ja oskillaattoreihin

34 Muuntajat Muuttaa vaihtosähkön jännitteen ja/tai virran toiseksi samantaajuiseksi jännitteeksi ja virraksi Muuntosuhde määräytyy ensio- ja toisiokäämien johdinkierrosten lukumäärien suhteesta TX1 U 1 / U 2 = N 1 / N 2 Ideaalisessa muuntajassa ension ja toision teho on sama: jos jännite suurenee, niin virta pienenee ja päinvastoin

35 Muuntajan rakenne Kaksi toisistaan eristettyä käämiä yhteisen rautasydämen ympärillä Muuntajan häviöitä voidaan pienentää käyttämällä sydämessä ohuita levyjä, jotka ovat eristettyjä Muuntajaa voidaan käyttää myös impedanssitasojen sovittamiseen tai balansointiin Muuntajaa voidaan käyttää myös ensio- ja toisiopuolen galvaaniseen erottamiseen: suojaerotusmuuntaja

36

37 Muuntaja Arkikielessä puhutaan usein muuntajasta, vaikka nykyiset verkkolaitteet eivät varsinaisia muuntajia aina olekaan.

38 1.4 Kiteet (engl. Crystal, Xtal) Kiteen toiminta perustuu pietsosähköiseen ilmiöön, missä sähkökenttä saa aikaan mekaanisen liikkeen (taipumisen)

39 Kiteen rakenne Yksikiteisestä kvartsista on leikattu ohut levy, johon on kummallekin puolelle liitetty elektrodi Kvartsilevyn paksuus, muoto ja leikkauskulma määrittelevät mm. kiteen värähtelyn taajuuden ja lämpötilakäyttäytymisen Kide on ripustettu, jotta värähtely voisi tapahtua mahdollisimman estettä

40 Reaalimaailman kide Kiteen sijaiskytkentä on RLC-piiri, joka voi värähdellä joko sarja- ja rinnakkaisresonanssissa Kide voi värähdellä joko perustaajuudella tai parittomilla harmonisilla (kolmas, viides, jne.) Kiteen värähtelytaajuutta voidaan muuttaa ulkoisella kuormakapasitanssilla Leikkauskulmalla vaikutetaan värähtelytaajuuden lämpötilakäyttäytymiseen (AT, BT, CT, DT jne.)

41

42 Kiteen piirisovellukset Kiteitä käytetään resonanssipiireissä, kun tarvitaan pienet häviöt (= suuri Q-arvo) mm. oskillaattoreissa ja suodatuksessa

43 2. Puolijohdemateriaalit Puhtaat puolijohteet: Pii Germanium Yhdistepuolijohteet: GaAs InP Muita: SiGe SiC

44 Puhtaan puolijohteen kidehila IV-ryhmän alkuaineet voivat muodostaa ns. timanttihilan Yksi atomi on kiinnittynyt neljällä sidoksella viereisiin atomeihin IV-ryhmään kuuluvat mm. hiili, pii, germanium ja tina

45 Yhdistepuolijohteen kidehila III- ja V-ryhmien atomit voivat yhdessä muodostaa kidehilan Galium ja arseeni: GaAs Indium ja fosfori: InP Muita: Piikarbidi: SiC Mekaanisesti kestävä, kestää lämpöä, säteilyä ja jännitettä Pii-germanium: SiGe Nopeampi kuin pii -> suurtaajuus sovellukset Silicon-On-Insulator (SOI) Eristeen pinnalle kasvatettu ohut piikerros Eristeenä lasi (SOG), safiiri (SOS) tai timantti

46 Seostaminen N-puolijohde N-tyypin puolijohde saadaan seostamalla V-ryhmän alkuainetta IV-ryhmän puolijohteen kanssa tai yhdistepuolijohteissa muuttamalla yhdistesuhdetta N-tyypin puolijohteessa kiderakenteessa on ylimääräisiä elektroneja (= negatiivinen varauksenkuljettaja) P-puolijohde P-tyypin puolijohde saadaan seostamalla III-ryhmän alkuainetta IV-ryhmän puolijohteen kanssa tai yhdistepuolijohteissa muuttamalla yhdistesuhdetta P-tyypin puolijohteessa kiderakenteessa on ylimääräisiä aukkoja (= positiivisia varauksenkuljettaja)

47 Seostaminen N-tyypin puolijohde P-tyypin puolijohde

48 pn-rajapinta Kun p- ja n-puolijohde yhdistetään, rajapinnassa olevat elektronit ja aukot kumoavat toisensa (rekombinoituvat) ja syntyy tyhjennysalue Tyhjennysalueen yli vaikuttaa sähkökenttä Estosuuntainen ulkoinen jännite kasvattaa tyhjennysaluetta Myötäsuuntainen ulkoinen jännite pienentää tyhjennysaluetta Jännitettä, jolla pn-rajapinta muuttuu johtavaksi, kutsutaan kynnysjännitteeksi

49 3. Diodit Ideaalinen diodi Diodi toimii kuin kytkin estämällä virran kulkemisen estosuuntaan (suuri resistanssi) ja päästämällä virran kulkemaan myötäsuuntaan (pieni resistanssi) D1

50 Diodin ominaiskäyrä Myötäsuunnassa diodi johtaa hyvin, kun kynnysjännite on ylitetty Estosuuntainen jännite kasvattaa vain hiukan vuotovirtaa Kun estosuuntainen jännite ylittää läpilyöntijännitteen arvon, virta kasvaa voimakkaasti

51 Erikoisdiodeja Zenerdiodi Estosuuntaan biasoitu diodi, joka toimii läpilyöntijännitteen alueella Jänniteregulointi Kapasitanssidiodi (varaktori) Estosuuntaan biasoitu diodi, jonka kapasitanssi riippuu estosuuntaisesta jännitteestä RLC-piirien värähtelytaajuuden säätö Tunnelidiodi Vahvasti seostettu diodi, jolla on negatiivisen resistanssin alue Oskillaattorit

52 Schottky-diodi Metallikalvolla päällystetty n-puolijohde Nopeat kytkimet, suurtaajuus ilmaisu/tasasuuntaus PIN-diodi p- ja n-rajapintojen väliin on lisätty seostamaton kerros Myötäsuuntaisena toimii virtaohjattuna vastuksena Estosuuntaisena herkkä fotodiodi (valoilmaisin, aurinkokenno)

53 Valodiodit LED (Light Emitting Diode) Synnyttää valoa pn-rajapinnassa Yhdistepuolijohteita (GaAs, InP) Valmistusmateriaali määrää valon aallonpituuden (= värin) Käytetään merkkilamppuina, näytöissä ja valaistukseen Puolijohde laser Samanvaiheista (koherenttia), monokromaattista valoa Toimii kuten LED, mutta emissio on stimuloitu ja kaviteettiresonanssi parantaa valon koherenssia ja monokromaattisuutta Käytetään optisessa tiedonsiirrossa

54 Diodien piirisovelluksia Tasasuuntaus: puoli- ja kokoaaltotasasuuntaus Ilmaisu: huippuarvo- ja verhokäyräilmaisu, tasolukko ja diodipumppu Jänniteregulointi (zenerdiodi) Resonanssin säätö (kapasitanssidiodilla)

55 Tasasuuntaus Puoliaalto Kokoaalto Lähde: Wikipedia

56 Jännitteen regulointi zenerdiodilla Zener-diodia käytetään jännitteen vakavointiin alla olevan esimerkin mukaisesti. R S = 470 Ω U in = 24 V U out kuorma Zener-diodin ominaisuudet ovat esim: U Z = 12 V, P Z max = 1 W (lisäksi I Z min = 10 % I Z max:sta).

57 Ilmaisu Lähde: Wikipedia