Uvod u elektronikudr.sc. Robert BeucFizika Studij Fizioterapije

1

Malo povijesti Elektroniki ureaji i elementi Elektriki sklopovi pasivnih elemenata Kristalni poluvodii Osnovni elektroniki sklopovi Elektrina mjerenja

2

U drugoj su polovici devetnaestog stoljea istraivane pojave koje nastaju pri prolazu elektrine struji u plinovima. U tu su svrhu plin zatvarali u staklene cijevi, na ijim su krajevima bile utaljene metalne elektrode za spajanje u strujni krug. Brojni su istraivai prouavali te pojave. Pri tome je utvreno da plin u cijevima treba biti pod snienim tlakom, a napon izmeu elektroda visok. Pri strujanju elektriciteta kroz takve cijevi opaane su zanimljive ali i vrlo sloene svjetlosne pojave, ovisne o vrsti i tlaku plina. Osobito je brojne i raznolike takve cijevi nainio 1870-ih godina njemaki fiziar Heinrich Geissler, koje su po njemu nazvane Geisslerovim cijevima.3

Pri vrlo niskom tlaku u cijevi svjetlosne pojave gotovo nestaju, ali se pokazalo da u smjeru od negativne elektrode (katode), struje neke nevidljive zrake koje izazivaju svjetlucanje tvari na koji udare. Njemaki fiziar Julius Pliicker nazvao ih je 1858. god. katodnim zrakama. Engleski fiziar Joseph John Thomson 1897. god. (Nobelova nagrada 1906.) dokazao da su katodne zrake roj predvianih i dugo traenih elementarnih estica elektriciteta, a Georg Francis FitzGerald ih je nazvao elektronima.

4

Cijevi u kojima se izravno primjenjuje roj elektrona za osvjetljavanje fluorescentnog

zaslona su tzv. katodne cijevi, a to su nai dananji ekrani televizijskih prijamnika te monitora raunala, radara i drugih ureaja.

1895. godine, njemaki fiziar Wilhelm Conrad Rontgen (Nobelova nagrada 1901.) je prouavajui katodno zraenje otkrio da ono ozraivanjem neke tvari, osobito kovina, iz njih izbija nevidljivo, ali vrlo prodorno zraenje. Nazvao ga je x-zrakama, a danas se njemu u ast naziva rendgenskim zraenjem. Ono se veinom proizvodi u tzv. rendgenskim cijevima, a primjenjuje se u medicini, fizici i tehnici.

5

Britanski inenjer John Ambrose Fleming konstruirao je 1904. god. tzv. elektronsku cijev, koja potpuno ispranjena od plinova, uz arenje katode, vodi elektrinu struju pomou termiki izbaenih elektrona, uz relativno niske napone. Ta je prva i najjednostavnija elektronska cijev nazvana diodom. Ona se u strujnom krugu ponaa kao elektrini ventil, vodi elektrinu struju samo kada je uarena elektroda negativna, a ona druga, anoda, pozitivna. Ameriki je fiziar Lee de Forest 1906/7. godine stavio na put elektronima izmeu katode i anode treu, reetkastu elektrodu. Polaritetom te elektrode upravljao je strujom elektrona kroz cijev. Tek je ta trioda, elektronska cijev s trima elektrodama, bila poetkom elektronike. Malim promjenama napona izmeu reetke i katode uzrokuje se znatno vee promjene struje izmeu katode i anode. Trioda se ponaa kao pojaalo elektrinih promjena. 6

Tijekom XIX. stoljea opaane su mnoge neobine elektrine pojave na pojedinim tvarima, bitno razliite od pojava na kovinama. Nekim se od njih vodljivost osjetno mijenjala promjenom temperature, nekima osvjetljavanjem, neki su pokazivali usmjerenu vodljivost, veu u jednom smjeru, a manju u drugom. Takve se tvari, poto im je vodljivost obino bila manja nego u kovinama, poelo nazivati poluvodiima. Takvi su poluvodii upotrebljavani u prvim radioprijamnicima na poetku dvadesetog stoljea, ali su izumom elektronske cijevi otili gotovo u zaborav. I tako je, jedan izum elektronske cijevi, za nekoliko desetljea odgodio izume poluvodikih elektronikih elemenata.7

U amerikoj tvrtki Bell Telephone Laboratory okupljena je skupina fiziara pod vodstvom W. Shockleya. Na kraju 1947. god. dvojica fiziara iz te skupine, J.Bardeen i W. H. Brattain, zapazili su na kristalu germanija zanimljivu pojavu pojaavanja elektrinih promjena. Izumili su elektroniki element nazvan tranzistor, kojim su potpuno izmijenili svijet elektronike, za to su sva trojica 1956. god. dobili Nobelovu nagradu.

8

Jack Kilby TI (tvorac ideje depnih kalkulatora) i Robert Noyce (suosniva tvrtke Intel) konstruirali su 1952. integrirani krug, preteu microchipa za to su 2000. g. dobili Nobelovu nagradu iz fizike.

9

Bez tranzistora i mikroipova koji su ih slijedili, ne bi bilo, ne samo malih prijenosnih radioprijamnika, koji su u nas svojedobno nazvani tranzistorima, nego niti bezbrojnih malih elektronikih ureaja, satova, raznih zvunih ureaja, mobitela, sranih stimulatora Ne bi bilo niti najveega izuma dvadesetog stoljea, elektronikog raunala, barem ne u takvom obliku i takvih mogunosti kao sto su to dananja osobna raunala. Bez suvremenih elektronikih ureaja ne bi bile mogue ni svjetske komunikacije u dananjem smislu i opsegu, niti one pasivne, kao sto su radio i televizija, niti aktivne, kao sto su raunalne mree, prvenstveno Internet. U medicini se elektricitet i elektronika primjenjuju odavno, a elektronika, elektroniki ureaji i postupci nezaobilazni su u suvremenoj medicini. Njima se obavlja elektrodijagnostika, elektroterapija, elektrostimulacija, obradba podataka.

10

Elektroniki ureaji i elementi Elektronika je grana tehnike u kojoj se primjenjuju pojave pri strujanju elektriciteta u slobodnom prostoru, u plinovima i u poluvodiima. Za to se upotrebljavaju naprave koje se openito nazivaju elektronikim ureajima. Uredaji su sastavljeni od manjih radnih cjelina koji se nazivaju elektronikim sklopovima.

11

Elektroniki ureaji, obavljaju dvije zadae: Jedni ureaji obraduju ulazne informacije a drugi su prema nekom unaprijed zadanom programu izvori odreenih informacija.

Informacijom nazivamo jednu ili niz, obino u vremenu rasporeenih injenica ili podataka o nekomu ili o neemu. Za elektroniku obradu informacija treba biti u elektrinom obliku. To su neke elektrine veliine, najee napon ili struja, koje u svojoj vremenskoj promjeni po vrijednosti, frekvenciji, obliku itd. sadre informaciju.

12

Vrlo esto informacije nisu u elektrinom obliku, pa se prije elektronike obradbe moraju pretvoriti u elektroniki oblik. Nakon obradbe esto trebamo izlaznu informaciju u nekom drugom obliku, pa ju treba iz elektrinog pretvoriti u neki drugi oblik. Za to slue posebni ureaji, tzv. pretvomici oblika informacije. Najjednostavniji, postupak prevoenja je elektroakustikim ureajima. Zvuk se, kao informacija u mehanikom obliku, pretvara pomou mikrofona u elektrini oblik. Nakon obrade u elektronikim ureajima, ponovno se zvunikom iz elektrinog oblika pretvara u zvuk.

13

U medicini je izvor informacija ljudsko tijelo. U dijagnostici se obrauju naponi iz pojedinih organa, a ako informacije nisu u elektrinom obliku (temperatura, tlak, puls, zvuk i dr.) one se prvo pretvaraju u elektrini oblik. Postupci obraivanja informacija su pojaavanje, usporeivanje, mjerenje, odailjanje na daljinu i pamenje. Obraena se informacija upotrebljava u stvarnom vremenu, ili se na prikladan nain memorira. Elektroniki ureaj, moe biti izvor informacija. Ta se izlazna informacija moe po potrebi pretvarati u neki drugi oblik. Elektroniki ureaji, sastavljeni su od manjeg broja elektronikih sklopova. Svaki od sklopova obavlja odreenu zadau u obraivanju informacija. Rad sloenih elektronikih ureaja, a time i najbolju upotrebu, moe se razumjeti samo ako se razumije rad i funkciju pojedinih sklopova. Sklopovi su sastavljeni od manjeg broja jednostavnijih elektronikih elemenata.14

Elektroniki elementi ili sastavnice osnovni su sastavnidijelovi elektronikih ureaja. Njih se moe razvrstati na pasivne, aktivne i pomone.

Pasivni elementi uzrokuju samo pad napona, promjenu meusobnog odnosa elektrinih veliina: struje, napona, rada, magnetskog polja i si. Glavni su pasivni elementi otpornik, kondenzator i zavojnica. Svi se ostali pasivni i pomoni elementi mogu predoiti slogovima otpornika, zavojnica i kondenzatora. Aktivni elementi mijenjaju oblik pojedinih elektrinih veliina, ponaaju se kao izvori novih izlaznih elektrinih veliina, ovisnih o ulaznim veliinama. Aktivni su elementi elektronske cijevi i poluvodiki elektroniki elementi. Pomoni elementi su svi ostali elementi potrebni za sastavljanje sklopova. To su vodovi, izolatori, sklopke, preklopnici i sl.15

SKLOPOVI PASIVNIH ELEMENATA Transformator je slog zavojnica koje su u induktivnoj vezi u svrhu posebnog prijenosa elektrine energije. Veza je izmeu zavojnica veinom stalna. Stoga do meuindukcije moe doi samo ako je ta energija u izmjeninom obliku. Sastoji se od dviju zavojnica, primarne P i sekundarne S, s bojem zavoja n1 i n2. Magnetni tijek obiju zavojnica obuhvaen tijelom poveane magnetne permeabilnosti, tzv. transformatorskom jezgrom. Za niskofrekvencijske transformatore ta je jezgra od posebnih eljeznih, meusobno izoliranih limova, ime se spreava induciranje vrtlonih struja u jezgri i gubitci energije. Za visokofrekvencijske transformatore jezgra je od posebnog magnetnog materijala, tzv. ferita.16

U idealnom transformatoru elektrine snage na objema zavojnicama su jednake, tj. P1= P2. U stvarnim transformatorima je zbog neizbjenih gubitaka sekundarna snaga manja 10 do 20%. Iz zakona indukcije moe slijedi da se naponi na zavojnicama odnose kao omjeri broja zavoja tih zavojnica: Omjer struja je obrnut: Impedancija zavojnica transformatora odnose se kao kvadrat omjera broja zavoja :

Transformatorom se mogu mijenjati impedancije, pa se transformator upotrebljava i za prilagoenje impedancije izvora i troila. Najvie se koristi mreni transformator kojim se napon gradske elektrine mree (230 V) za napajanje elektronikih ureaja se sniuje (6V ili 12 V) a za neke ureaje, kao sto je to rendgenski ureaj, povisuje na nekoliko stotina kilovolta.17

Sklopovi s vremenskom konstantom Sklopovi otpornika i kondenzatora, RC-sklopovi Sklopovi otpornika i zavojnica, RL-sklopovi Kondenzator se strujom kroz otpornik puni postupno, kroz neko vrijeme, i to po rastuem eksponencijalnom zakonu. Vrijeme T = RC, koje ovisi samo o otporu otpornika i kapacitetu kondenzatora, naziva vremenskom stalnicom (konstantom) sklopa.

18

Kondenzator napunjen na napon U0 prazni se kroz otpornik takoer postupno, po padajuem eksponencijalnom zakonu Napon na kondenzatoru sve sporije opada, pa ce se kondenzator teorijski isprazniti kroz vrlo dugo vrijeme. Slino se ponaa RL-sklop, samo je vremenska konstanta RL-sklopa

19

Vana je primjena sklopova sa vremenskom konstantom pri promjeni oblika naponskih impulsa. Uz isti ulazni napon Uo, napon e se na otporniku, kondenzatoru i zavojnici razliito mijenjati. Razlikuju se oblici sklopa koji se nazivaju: RC-sklop, CR-sklop, RL-sklop i LR-sklop.

20

Ovisnost oblika izlaznog napona o ulaznom naponu na CR-sklopu (ili RL-sklopu)

21

CR-sklop i RL-sklop se nazivaju i sklopovi za diferenciranje impulsa. T = RC odnosno T=L/R

22

Ovisnost oblika izlaznog napona o ulaznom naponu na RC-sklopu ili LR-sklopu

23

CR-sklop i RL-sklop se nazivaju i sklopovi za integriranje impulsa. T = RC odnosno T=L/R

24

Titrajni krug Sklop se zavojnice i kondenzatora, naziva titrajnim krugom ili LC-sklopom jer u njemu mogu nastati elektrini titraji. U krugu izmjenine struje induktivni i kapacitivni otpor imaju suprotno djelovanje, pa se njihov ukupni utjecaj u serijskom spoju pri nekoj frekvenciji ponitava. Ta se frekvencija izrauna iz jednakosti otpora RL = RC Pojava iezavanja jalovog otpora naziva rezonancijom, a pripadajua frekvencija rezonantnom frekvencijom titrajnog kruga.25

Serijski LC-sklop proputa struju rezonantne frekvencije, a predstavlja otpor za struje drugih frekvencija, Paralelni titrajni krug predstavlja najvei otpor za struju rezonantne frekvencije, a manji za sve druge. Titrajni krug se upotrebljava za odabiranje struje odreene frekvencije iz smjese struja razliitih frekvencija. etiri su mogunosti: serijsko ili paralelno spajanje serijskog ili paralelnog titrajnog kruga

26

U dva strujna kruga jednakih rezonantnih frekvencija (jednakih umnoaka LC) jaa e struja tei onim s veim kapacitetom. Za jakost struje bitan je omjer induktivnosti i kapaciteta. Korijen iz toga omjera naziva se karakteristinom ili valnom impedancijom titrajnog kruga Pri tijeku struja cijelog spektra frekvencija kroz strujni krug, istaknuta je struja rezonantne frekvencije, dok e druge biti potisnute. Za nepropusni titrajni krug ta je karakteristina krivulja obrnuta. Dogovoreno je da se proputenim smatraju struje onih frekvencija kojima je jakost vea od 70% jakosti struje rezonantne frekvencije. To se podruje naziva propusnim podrujem titrajnog kruga.

27

KRISTALNI

POLUVODII

Kristalni poluvodii, vode elektrinu struju na drugaiji nain nego kovine. Danas se za to rabe uglavnom kristali germanija i silicija. Naziv poluvodii je povijesno nastao kada su prouavani neki prirodni kristali kojima je vodljivost bila izmeu vodia i izolatora. Germanij i silicij kemijski su elementi etvrte skupine periodnog sustava, prvi s atomnim brojem 32, a drugi 14. U vanjskoj ljusci njihova atoma nalazi se po etiri elektrona, i samo oni sudjeluju u kemijskom spajanju. Zbog toga se oni mogu jednostavno promatrati tako da se zapaze samo ti elektroni u vanjskoj ljusci, dok ostatak elektrona je stabilan i ima naboj +4 e.

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/

28

Atomi germanija, odnosno silicija spajaju se kovalentnim vezama, u kojima susjedni elektroni imaju po dva zajednika elektrona. Takav ist i savreno pravilan kristal nema slobodnih naboja, pa je izolator. Ve pri sobnoj temperaturi toplinsko je titranje atoma toliko da poneki elektron bude izbaen sa svoga mjesta. On se kao slobodan naboj giba po kristalu. Na mjesto iz kojega je izbaen, u tzv. upljinu, moe sada doi bilo koji drugi elektron, pa se upljina takoer premjeta po kristalu, a poto privlai elektrone, ponaa se kao pozitivan naboj. upljine i elektroni meusobno se ponovno sloe (rekombiniraju), a toplinsko ih titranje ponovno stvara. Kristal u kojem ima upljina i slobodnih elektrona elektrini je vodi. Broj tako stvorenih slobodnih elektrona i upljina ovisan je o temperaturi, pa je vodljivost postignuta na taj nain ovisna o temperaturi. Do pojave upljina moe doi i na nekom mjestu nepravilnosti u kristalu.29

Izmeu atoma osnovnog elementa vrlo se lako ugradi poneki atom drugog elementa, primjese, koji donose viak ili manjak elektrona. Primjese se namjerno dodaju kristalu osnovnog elementa da bi mu se nadzirano promijenila vodljivost. Kada se umjesto atoma osnovnog elementa u kristalnu reetku ugradi atom iz susjedne pete skupine, dakle sa pet elektrona u vanjskoj ljusci, on donese viak elektrona. Taj je elektron slobodan, i on pridonosi vodljivosti. Element koji donese viak elektrona naziva se donatorom ili donorom. Kristal u kojem ima donatora, dakle i negativnih slobodnih naboja, naziva se kristalom N tipa. Ugradnjom elementa susjedne tree skupine, dakle sa tri elektrona u vanjskoj ljusci, on uzrokuje manjak elektrona, te time nastaje upljina. Element koji donese manjak elektrona naziva se akceptorom. Kristal u kojem ima akceptora, dakle i pozitivnih upljina, naziva se kristalom P tipa.

30

Vodljivost kristala ovisi o stupnju dodavanja primjese, tzv. dotiranju, pa moe biti slabo ili jako dotiran kristal odreenog tipa.. Kao to je teko nainiti potpuno ist i pravilan kristal, tako je jednako teko nainiti kristal u kojem bi bili samo donatori ili samo akceptori. U svakom kristalu ima i jednih i drugih, vano je samo kojih je vie. Osnovni kristal za proizvodnju elektronikih elemenata u poetku je bio germanij, ali je poslije prevladao silicij, a rjee se upotrebljavaju i neki drugi kristali, galij-arsenid, indij-antimonid i dr. Kao donatori upotrebljavaju se antimon, arsen, bizmut, fosfor ili litij, a kao akceptori aluminij, bor, cink, indij, zlato i dr. Primjese mogu biti ugraene tako da atom primjese zauzme mjesto atoma (zamjenske ili supstitucijske primjese), ili da se atom primjese ugradi izmeu atoma kristala (meuprostorne primjese). Elektrina struja kroz poluvodiki kristal zbroj je dviju struja, one slobodnih elektrona i upljina, koji se u elektrinom polju gibaju u suprotnim smjerovima. Pokretljivost je slobodnih elektrona vie nego dvostruko vea od pokretljivosti upljina. 31

Poluvodiki se kristal moe s jedne strane dotirati akceptorima, a s druge donatorima, pa jedna strana postaje kristal P tipa, a druga N tipa. Tako nastaje PN prijelaz. U sloju gdje se dodiruju oba tipa kristala slobodni elektroni popunjavaju upljine, pa u tom sloju nema slobodnih naboja. Debljina se toga zapomog sloja spontano uspostavlja dok kroz nju slobodni elektroni vise ne mogu prelaziti. Ako je kristal sa PN prijelazom prikljuen na istosmjerni napon, tako da je pozitivan pol na P tipu, a negativan na N tipu, upljine i elektroni gibaju se prema suprotnom polu. Ve pri vrlo niskim naponima, reda jednog volta, jakost je polja dovoljna da oni prolaze kroz zaporni sloj, opaa se tijek elektrine struje kroz kristal.

Kristalne diode

32

Ako se polaritet napona izmijeni, naboji se gibaju u suprotnim smjerovima. Porastom napona debljina se zapornog sloja poveava, a u kristalu nema vie slobodnih naboja, pa kristal ne vodi elektrinu struju. Vodljivost je PN prijelaza ovisna o polaritetu prikljuenog napona, uz jedan polaritet struja tee, uz obratni ne tee. PN prijelaz se ponaa kao elektrini ventil. Stoga se takav kristal naziva kristalnom diodom. Naziv je nastao prema slinom svojstvu elektronske cijevi diode.

33

Zenerova dioda je posebna vrsta diode kojoj struja u zapornom smjeru naglo raste pri odreenom, tzv. Zenerovu naponu. U tom podruju promjena struje ne uzrokuje promjenu napona. Zenerova se dioda primjenjuje kao element za odravanje napona na stalnoj vrijednosti, tzv. stabiliziranje, odreeno tim Zenerovim naponom.

34

Tunelna ili Esakijeva dioda je bogato dopirana kristalna dioda, koja primjenjuje tzv. tunelnu pojavu pretskazanu u kvantnoj fizici. U stanovitim okolnostima poneki elektron proe naponsku prepreku, iako to po svojoj energiji ne bi mogao. On se, slikovito reeno, provue kroz neki tunel u prepreci, i to brzinom svjetlosti. Ona ne pokazuje zaporno djelovanje, ali u propusnom smjeru pokazuje porast, pa pad struje i ponovni porast. U podruju opadanja struje pri porastu napona dioda ima negativan elektrini otpor. Upotrebljava se za vrlo brze operacije u mikrovalnom podruju.

35

Varikap dioda (kapacitivna dioda, varaktor) se ponaa kao promjenljivi kondenzator. Kristalnu diodu ine dva vodljiva sloja kristala, koji su odvojeni zapornim slojem kao izolatorom. Svaka je dioda u zapornom smjeru kondenzator. Kapacitet ploastog kondenzatora osim o plotini ploa ovisi i o udaljenosti izmeu njih. Ta je udaljenost debljina zapornog sloja d izmeu vodljivih slojeva kristala, koja je ovisna o prikljuenom naponu. Kristalna dioda je promjenljiv kondenzator, kojemu se kapacitet mijenja naponom. Varikap diode primjenjuju se u elektronikim ureajima kao promjenljivi kondenzatori kojima se kapacitet ne mijenja mehanikim nego elektrinim postupkom.

36

Fotodioda je posebna vrsta kristalne diode u kojoj svjetlost u zapornom sloju unutarnjim fotouinkom stvara slobodne naboje. Fotodioda se spaja u zapornom polaritetu, te dok nema osvjetljavanja kroz nju tee vrlo slaba, tzv. struja mraka. Osvjetljavanjem se stvaraju slobodni naboji, pa diodom potee znatno jaa struja svjetla. Fotodioda se upotrebljava kao elektroniki pokaziva (indikator) svjetla.Material

Silicij Germanij Indij galij arsenid Olovo sulfid

1901100 nm 4001700 nm 8002600 nm