Piše: Božidar Pasari , 9A2HL Elektronika za mlade- 6. nastavakradioclubkastilac.hr/wp-content/uploads/2017/03/6-12elektronika-za-mlade.pdf · Radio HRS - 2/2005 9 elektronika za

www.hamradio.hr8 Radio HRS - 1/2005

elektronika za mlade

Elektronika za mlade - 6. nastavakPiše: Božidar Pasarić, 9A2HL

Najprije malen ispravak: na slici 4. uprošlome nastavku umjesto “Naponbaterije” treba stajati “Napon na konde-nzatoru C”. Moja pogreška. A sada pre-lazimo na:

2.3. Zavojnice(fizikalna svojstva, serijski iparalelni spoj zavojnica)

Zavojnice su treća, ali jednako važnakomponenta radijskih uređaja. Sve jepočelo 1819. godine kada je danski fizi-čar Hans Christian Oersted primijetioda u blizini vodiča kroz koji teče elektri-čna struja magnetska igla poskakuje.Bilo je očito da između elektriciteta i ma-gnetizma postoji tijesna veza. Trebalo jejoš dvanaest godina pa da se izazovei suprotna pojava - da magnetsko poljeproizvede električnu struju. To je učinioEnglez Michael Faraday 1832., koji jeotkrio da za tu svrhu magnetsko poljemora biti promjenljivo. Naime, bezobzira na to u koliko jako magnetskopolje stavili zavojnicu, u njoj neće nasta-ti električna struja ako je to poljenepromjenljivo. Faraday je, dakle, otkrioelektromagnetsku indukciju.

Prema tome, ako kroz neki vodič tečeelektrična struja, oko njega će se stvoritimagnetsko polje (sl.1.). To polje premadogovoru prikazujemo kružnicamaokomitim na vodič, koje imaju određensmjer i koje se zatvaraju same u sebe.Ako promijenimo smjer struje, promijenitće se i smjer tih silnica. Magnetske silni-ce ne možemo prekinuti; možemo imsamo promijeniti stazu, ali one će seuvijek na kraju zatvoriti same u sebe.(Svi pokušaji da se načini tzv. jednopolnimagnet dosad su propali.) Magnetskopolje osobito će se pojačati ako vodičnamotamo oko nekog kartonskog iliplastičnog valjčića: silnice pojedinihzavoja u unutrašnjosti će se zbrojiti, paće njihov “snop” u valjku biti mnogo gušći(sl. 2.). Otvor na kojemu silnice izlaze izzavojnice zovemo sjeverni pol (N), a ukoji ulaze - južni pol (S). Ne postoji bitnarazlika između trajnoga magneta, nači-

njenog od čelika, i elektromagnetaprikazanog na slici. Ukupan broj svihsilnica koje izlaze iz elektromagnetazovemo magnetski tok ili fluks togelektromagneta i označujemo grčkimslovom Φ (fi).

Sposobnost vodiča ili zavojnice daoko sebe stvori magnetsko polje zove-mo induktivnost, koju označujemoslovom L, a mjerimo je jedinicom henri(H), prema američkome znanstvenikuJosephu Henryju (1797 - 1878.), koji jeotkrio samoindukciju i objasnio zakonetransformacije. Manje jedinice su mH(milihenri) i µH (mikrohenri). Induktivnazavojnica ponaša se, možemo reći,obratno od kondenzatora. I ona ima trisvojstva:

1. Također može "uskladištiti" određe-nu energiju, ali u obliku magnetskogpolja.

2. Osim omskoga, pruža i dodatni otporizmjeničnoj struji, ali - suprotno ko-ndenzatoru - taj otpor je to veći štoje veća induktivnost zavojnice i štoje frekvencija struje veća. To je tzv.induktivni otpor zavojnice XL.

3. Ostvaruje fazni pomak izmeđunapona i struje, ali tako da naponprethodi struji.

U ovome nastavku govorimo samo omalenim induktivnostima kakve se rabekod visokih frekvencija. O induktivno-stima za niske i industrijske frekvencijegovorit ćemo u sljedećem nastavku.Klasična jednoslojna zavojnica imat ćeveću induktivnost što joj je promjervaljka veći, što ima više zavoja žice i štoje namotani sloj kraći. (Dakako, u tomene smijemo pretjerati, jer bi za to trebalašto tanja žica, čiji otpor bi postao preve-lik. Zato se smatra da je najkvalitetnijaona jednoslojna zavojnica, namotanazavoj do zavoja, čija je duljina približnojednaka njenom promjeru.)

Postoji i četvrti faktor, a to je jezgra.Naime, ako u sredinu valjka (gdje susilnice najgušće) stavimo željezo, njenaće se induktivnost višestruko povećati.Kada se radi o visokim frekvencijama(radiotehnika), to ne može biti običnoželjezo, jer stvara prevelike gubitke,već tzv. visokofrekvencijsko željezokoje se izrađuje od željezne prašine iljepila koje je ujedno i izolator, tako dasu u v.f. željezu gubici uslijed vrtložnihstruja maleni. Osim v.f. željeza danaspostoje i tzv. feriti. To su feromagnetičnikeramički materijali od kojih se čestoizrađuju prstenovi, tzv. toroidi na kojese namotava izolirana žica (sl. 3).

I v.f . željezo se također često oblikujekao toroid. Svojstvo v.f. jezgara i toroidada povećavaju induktivnost zavojniceoznačuje se grčkim slovom µr (mi rela-tivno) i odgovarajućim brojem, npr. µr 7.Taj broj nam govori za koliko će se putapovećati induktivnost zavojnice u odno-su na zračnu zavojnicu. (To nas doneklepodsjeća na ulogu dielektrika u konde-nzatorima.) U praksi taj broj se kreće od3 do 35 kod v.f. željeza, a 20 do 10000kod ferita. Riječ je o magnetskoj propu-snosti, tj. magnetskoj propustnosti togmaterijala. Što je propustnost veća, bitće veći i broj magnetskih silnica kojenastaju u zavojnici, pa samim tim iinduktivnost zavojnice. V.f. jezgra namomogućuje da smanjimo broj zavoja zaistu induktivnost, što znači manji omskiotpor žice i veću kvalitetu zavojnice (Q).

U praksi v.f. željezo se često oblikujekao vijak koji se može uvrtati u tijelozavojnice, pa na taj način možemo nam-ještati njenu induktivnost u određenimgranicama bez odmotavanja ili dodava-nja zavoja. Od ferita se izrađuju i feritništapovi duljine desetak centimetara, kojizajedno s namotanom zavojnicom služekao ugrađene (magnetske) antene u pri-jamnicima na dugim, srednjim i kratkimvalovima. Toroidi od v.f. željeza obično

Slika 1.

Slika 2.

Slika 3.

www.hamradio.hr 9Radio HRS - 1/2005


su označeni bojama, dok oni od feritato nisu. Kada se radi o toroidima, njiho-va je prednost ta, što silnice ne izlaze izprstena, pa ih najčešće ne treba oklapatiu metalne lonce, što se inače čini radisprječavanja induktivne veze s drugimzavojnicama. Kada se radi o visokim(tj. radijskim) frekvencijama, potrebnainduktivnost zavojnica obično se krećeod nekoliko mikrohenrija do nekolikomilihenrija. Za v.f. željezo još treba reći ito da ih proizvođači često proizvode zarazličita frekvencijska područja, npr. 2 -10 MHz, 8 - 30 MHz, itd. Za njihovupravilnu uporabu treba nabaviti tehničkepodatke od proizvođača.

Serijski i paralelni spoj zavojnicaZavojnice možemo spajati i serijski i

paralelno, baš kao i otpornike, pa tu vri-jede čak i isti obrasci (sl. 4.). Ali, pritommora biti zadovoljen važan uvjet:Zavojnice ne smiju biti u međusobnojinduktivnoj sprezi. Dvije zavojnice senalaze u induktivnoj sprezi ako silnice izjedne zavojnice prolaze kroz drugu -djelomice ili u cjelini (sl. 5.). Kada je neželimo, induktivnu spregu možemo spri-ječiti na četiri načina:

- da zavojnice dovoljno udaljimojednu od druge,

- da ih postavimo okomito jednuprema drugoj,

- da svaku zavojnicu oklopimo, tj.stavimo u bakreni, mjedeni ilialuminijski lonac, ili ih odijelimometalnom pregradom,

- da ih namotamo na toroidima.Faktor sprege ne može biti veći od 1

(tj. 100 %) i označava se slovom k.Naime, kada su dvije zavojnice u indu-ktivnoj sprezi, njihova zajednička indu-ktivnost raste brže nego kada to nisu,a ako im je faktor sprege 1, onda rastečak i s kvadratom povećanja broja za-voja (2 puta više zavoja daje 4 putaveću induktivnost). Međutim, u praksi

međusobna induktivna sprega izmeđudviju zavojnica često je nužna, što ovisio shemi uređaja.

Danas se u prodaji mogu dobiti itvornički izrađene zavojnice. Izgledajukao otpornici i označene su bojama.Čest je način uporabe zavojnice kaov.f. prigušnice, gdje se iskorištavanjeno svojstvo da pruža velik otpor v.f.izmjeničnoj struji, a malen otpor istos-mjernoj (sl. 6.). Vidimo da za rad sazavojnicama trebamo poprilično znanja,pa i mjernih instrumenata. One su očito“nestašna djeca” radiotehnike.

Danas smo upoznali sljedeće pojmove:- magnetsko polje,- elektromagnet,- magnetsku indukciju,- induktivni otpor zavojnice,- permeabilnost,- v.f. željezo, ferit- v.f. prigušnicu.

Sljedeći put govorit ćemo o induktivnos-tima za niske i industrijske frekvencije.

Slika 4.

Slika 5. Slika 6.

For Evaluation Only.Copyright (c) by Foxit Software Company, 2004 - 2007Edited by Foxit PDF Editor

www.hamradio.hr 9Radio HRS - 2/2005


Elektronika za mlade - 7. nastavakPiše: Božidar Pasarić, 9A2HL

2.4. Transformator(fizikalna svojstvatransformatora, odnos brojaprimarnog i sekundarnog dijelatransformatora)

Transformator je nastao u drugojpolovici 19. stoljeća iz pokušaja da seelektrična energija prenese na većuudaljenost nego što to omogućuje isto-smjerna struja. Naime, prijenos snageuz visok napon traži manju struju, štoznači manje gubitke i manje troškove zažicu koja može biti tanja. Taj sukob za-stupnika istosmjerne i izmjenične strujekulminirao je pravim ratom izmeđuThomasa A. Edisona i Nikole Tesle, uzkonačnu pobjedu Teslina trofaznog sus-tava. Teorijsku osnovu transformatoradao je Michael Faraday, o čemu smoveć govorili: ako se induktivna zavojnicanalazi u promjenljivom magnetskompolju u njoj će se inducirati izmjeničninapon. Prvi upotrebljivi transformatornačinili su Francuz Lucien Gaulard iEnglez John Gibbs, a usavršila su ga triMađara: Mikša Deri i njegova dva surad-nika u budimpeštanskoj tvrtki Ganz. Onisu 1885. godine prikazali javnosti svojtransformator koji je teorijski bio bespri-jekorno zamišljen, ali mehanički priličnonepouzdan. Naime, u to vrijeme još nijepostojao transformatorski lim pa su pri-marnu i sekundarnu zavojnicu umjestotoga omotali željeznom žicom. Taj trans-formator je izmjenični napon od 100 V~pretvarao u 2000 V~ i tako omogućio pri-jenos električne energije na veću udalje-nost uz malene gubitke. Prvi transforma-tor u današnjem obliku načinio je 1886.Amerikanac William Stanley (1858-1916.) zaposlen kod Westinghousa. Kaoizvor koristio je Siemensov generatorizmjenične struje dopremljen iz Engle-ske u Pittsburg. Zahvaljujući StanleyuWestinghouse je izgradio prvu gradskumrežu izmjenične struje u mjestu GreatBarrington, Massachusetts. Manja hidro-centrala pokretala je generator izmje-nične struje napona 500 V, koji se zatimtransformatorom podizao na 3000 V.Njega su dalekovodom vodili do gradagdje se drugim transformatorom spuštaona 100 V za žarulje u kućama. Nedo-statak jednofazne izmjenične struje bioje taj što ona tada nije mogla pokretatielektromotore, dok je istosmjerna mogla,a to je bio i glavni argument zastupnikaistosmjerne struje. Trebalo je pričekatijoš nekoliko godina da Nikola Teslaizumi trofazni sustav i okretno magnet-sko polje.

U osnovi transformator se sastoji odželjezne jezgre u obliku okvira koji sjedne strane ima primarni, a s drugestrane sekundarni namotaj (slika 1.).

Primarni namotaj je zapravo induktivnazavojnica priključena na izvor izmjeni-čnog napona, tako da ona u jezgri stvarapromjenljivo magnetsko polje. To pro-mjenljivo magnetsko polje prolazi i krozsekundarnu zavojnicu u kojoj nastajeinducirani izmjenični napon. Za transfo-rmator je bitno sljedeće pravilo: omjertransformacije izmjeničnog napona ovisio omjeru broja zavoja između primara isekundara; npr. ako u primaru imamo200 zavoja, a u sekundaru 1000, omjertransformacije bit će 1:5. Dakle, ako naprimar dovedemo 100 V~, na sekundaruće se pojaviti 500 V~. Prema tome, to jetransformacija naviše. Transformatormožemo i okrenuti. U tom slučaju, akona primar od 1000 zavoja dovedemo100 V~, na sekundaru od 200 zavojapojavit će se 20 V~. To je transformacija5:1, dakle naniže.

Transformator mora imati željeznujezgru kako bi se povećala gustoćamagnetskog toka i kako bi gotovo svemagnetske silnice iz primara prošle krozsekundar i tako se postigao najvećimogući faktor sprege između njih (k=1).Danas se te jezgre izrađuju od transfo-rmatorskog lima raznih oblika (slika 2.).Na slici 3. vidimo i “paketić” načinjen odpertinaksa ili tvrdog kartona. On služi zasmještaj primara i sekundara. Danas sei primar i sekundar najčešće motaju naistome “paketiću”, ali se između njihnalazi deblji sloj izolacije. Transformato-rski limovi prikazani su na slikama 2.a-d.Kada je “paketić” namotan u njega sestavljaju limovi i to izmjenično, najprije sjedne, a zatim s druge strane - sve doksredina “paketića” ne bude tijesno popu-njena. Transformatorski limovi na svojojpovršini imaju sloj izolacije, najčešćeoksida, kako bi se spriječile inducirane

vrtložne struje, koje predstavljajugubitak. Danas se najčešće rabe limoviE-I profila ili M profila (s “dva prozora2).Limovi M profila umeću se tako da sesredišnji jezik potisne prema dolje,ugura u sredinu “paketića” i složi naprethodni lim. Složeni paket E-I limovabez namotaja vidimo na slici 4. Za mota-nje najčešće služi bakrena žica izoliranalakom (CuL) određene debljine (kojutreba izračunati prema jakosti struje).Obično se uzima da 1 mm2 presjeka žicemože izdržati 3A.

Drugo pravilo koje treba zapamtitiodnosi se na prijenos snage iz primara usekundar. Ako zanemarimo gubitke uželjezu i bakru (1-5%), snage u primarui u sekundaru su jednake. To znači akoje sekundar opterećen sa 100 W, i u pri-maru će biti angažirana snaga od 100 W.(Pretpostavimo da je sekundar namotanza 20 V i struja koju iz njega uzimamoima jakost 5 A.) Prema tome, ako je pri-mar priključen na 100 V, kroz njega ćeteći struja od 1 A, što je također 100 W.U ovome slučaju primar će biti namotans više zavoja tanje žice, a sekundar s

Slika 1.

Slika 2.

Slika 3.

www.hamradio.hr10 Radio HRS - 2/2005

manje zavoja deblje žice. Ako sekundarnije opterećen nikakvim trošilom, krozprimar će teći samo minimalna strujauzrokovana gubicima u transformatoru.Drugim riječima, struja u primaru auto-matski se, posredstvom magnetskogpolja, prilagođava potrošnji u sekundaru.

U elektronici i radiotehnici transfo-rmatori s transformatorskim limom dijelese na mrežne i niskofrekventne. Mrežni transformatori priključuju se nagradsku mrežu i služe za napajanjeraznih elektroničkih i radijskih uređajakoji za svoj rad trebaju drukčije naponeod napona gradske mreže. (Osim togate napone treba još pretvoriti u istosmje-rne.) Mrežni transformatori se rade zafrekvenciju od 50 Hz (u Americi 60 Hz).Niskofrekventni transformatori trebajubez izobličenja prenijeti cijeli opsegzvučnih, tj. niskih frekvencija (16-16000Hz). Oni danas najčešće služe za prila-godbu zvučnika na pojačalo; to su tzv.izlazni ili prilagodni transformatori.

Broj zavoja u primaru ili sekundaru nemože biti proizvoljan, već se moraizračunati prema veličini željezne jezgrei njenim svojstvima. Kod mrežnog trans-formatora treba najprije pronaći brojnavoja po voltu, a onda se on množi snaponom. Kada ne možemo doći doizvornih tvorničkih podataka, za mrežnetransformatore postoji približna formula:

“S” je presjek jezgre u cm2 i može seizračunati iz slike 4. tako da širinu sred-njeg jezika, “a”, pomnožimo s debljinompaketa limova, “b”. Npr. za presjek jez-gre od 10 cm2 dolaze 4,5 zavoja povoltu, pa za primar od 220 V treba namo-tati 990 zavoja. Takav način računanjavrijedi i za sekundar, s time da izračunatibroj zavoja treba povećati za 10% kakobi se nadoknadio pad napona pri optere-ćenju.

Transformator može imati i nekolikosekundara, ovisno o raznim naponimakoji nam trebaju. Na slici 5. vidimo slikumrežnog transformatora. Postoje i auto-transformatori (ili štedni transformatori)koji radi uštede imaju samo jedan namo-taj (slika 6.). Na tom namotaju postojiizvod gdje možemo uzeti neki nižinapon.

Po vanjskom izgledu transformatoruje vrlo slična prigušnica, iako ona imadrugu namjenu. Naime, ona ima samojedan namotaj, a zbog svoga indukti-vnog otpora XL, pruža velik otpor izmje-ničnoj, a malen otpor istosmjernoj struji.Kao i transformatori, postoje mrežne iNF prigušnice (slika 7.). Induktivnost NFprigušnice iznosi nekoliko henrija, amrežne još i više.

Danas smo upoznali sljedeće pojmove:- mrežni transformator,- niskofrekventni transformator,- primarni namotaj,- sekundarni namotaj,- omjer transformacije,- broj zavoja po voltu,- transformatorski lim,- autotransformator,- prigušnica.

Sljedeći put govorit ćemo o diodama.

Slika 4.

Slika 6.

Slika 7.

Slika 5.


45

SBroj zavoja po 1 V =

www.hamradio.hr14 Radio HRS – 3/2005


Elektronika za mlade – 8. nastavakPiše: Božidar Pasariæ, 9A2HL

2.5. DiodePrema definiciji dioda je elektronièki

element koji propušta struju samo ujednom smjeru. To je, dakle, elektrièniventil. Dioda može biti elektronska cijev,a može biti i naèinjena od poluvodièakao poluvodièka dioda. Nekada se zanjenu izradu upotrebljavao najèešæemineral galenit (olovni sjajnik, PbS), pase naziva i kristalnom diodom. O elektro-nskoj cijevi – diodi, govorit æemo drugomprilikom.

Svojstvo nekih minerala da propušta-ju elektriènu struju samo u jednomsmjeru prvi je primijetio Carl F. Braun1874. godine (poznatiji kao izumiteljkatodne cijevi), èak desetak godina prijeotkriæa radiovalova. Bio je to olovni su-lfid, galenit, iako i mnogi drugi mineralipokazuju isto svojstvo. U ono vrijemeradiovalovi su se otkrivali s pomoæu ko-herera. Prema raspoloživim podacima,prvi koji je za detektiranje (otkrivanje)radiovalova upotrijebio improviziranudiodu bio je Gulielmo Marconi prilikomprvog uspješnog prijenosa radiovalovapreko Atlantika 1901. godine. Naime, onje upotrijebio kombinaciju željezne pilje-vine i žive u vezi sa slušalicom, iskoris-tivši patent Indijca Jagadisha Ch. Boseaiz 1898. godine, a da je to mudro prešu-tio (kao i Teslin sustav titrajnih krugova,uostalom). Sva je prilika da Marconi nijebio ni svjestan teorijske strane mnogoosjetljivijeg postupka kojim se poslužio,jer je kombinaciju željezne piljevine ižive i dalje zvao kohererom. To je vjero-jatno bio i prvi primjer demodulacijeamplitudno moduliranog signala u povi-jesti, dakle prvog detektorskog prijamni-ka.

Poslije 1920. godine u svijetu supoèele nicati radiodifuzne radijskepostaje na srednjem i dugom valu,kakve su u osnovi i danas. Iako su veæpostojale elektronske cijevi, one su bilevrlo skupe i rijetke. Zato su mnogi poje-dinci gradili tzv. detektorske prijamnikekoji nisu trebali elektronske i skupebaterije – veæ samo v. f. stru-ju iz antene. Ona je, dakakomorala biti dovoljno duga-èka, uz odlièno uzemljenje.Najkritièniji dio u takvomeprijamniku bila je dioda, kojaponištava jedan smjervisokofrekventne struje, dokdrugi smjer ide u osjetljivevisokoomske slušalice uobliku istosmjerne pulsira-juæe struje. Diodu je moraosvatko sebi sam naèiniti.

Na slikama 1. i 2. vidimo primjere ležišta,odnosno kuæišta za kristal galenita nakoji se oslanja mjedeni šiljak. Takvadetektorska dioda rabila se sve doDrugog svjetskog rata. Trebalo je rukompotražiti najbolje mjesto na kristalu iodrediti pravi pritisak igle. Dok jeuzbuðeni radioamater slušao program,drugi su ukuæani morali šutjeti jer jeprijam bio tih te hodati na prstima, kakose igla na kristalu ne bi pomaknula.

U elektrotehnici tvari se dijele navodièe, izolatore i poluvodièe. Pododreðenim uvjetima poluvodièi vodestruju samo u jednom smjeru. Danas sepoluvodièke diode izraðuju od germanija(Ge) i silicija (Si). Konstrukciju poluvo-dièke diode vidimo na slici 3.a. Ona sesastoji od komadiæa kristala germanija ilisilicija na koji se oslanja šiljak od volfra-ma, zlata ili platine. Sve je to zaliveno ustaklenom balonèiæu. To je tzv. toèkastadioda koja ima vrlo malen vlastitikapacitet, pa je pogodna za rad navisokim frekvencijama.

Postoje i slojne poluvodièke diode(slika 3.b.). Takva dioda sastoji se odpoluvodièkog sloja silicija (ili germanija)N-tipa i sloja sicilija (odnosno germanija)

P-tipa. Na mjestu njihova dodira dobivase NP sloj koji je bitan za rad diode.Germanij i silicij N-tipa imaju negativnaelektrièna svojstva (tj. višak elektrona),a germanij i silicij P-tipa pozitivna elektri-èna svojstva (tj. manjak elektrona). To sepostiže dodavanjem minimalnih kolièinaprimjesa ("neèistoæe") u germanij ili silicij– npr. fosfora, arsena ili antimona zaN-tip, odnosno bora, aluminija, galija iliindija za P-tip poluvodièa. Slojne diodeimaju veæi vlastiti kapacitet, pa nisupogodne za rad na visokim frekvencija-ma, ali zato mogu izdržati mnogo veæustruju. Sloj N-tipa u diodi zove se katoda,a sloj P-tipa anoda. Dioda propuštastruju samo onda kada se na katodinalazi negativni, a na anodi pozitivni polnapona. U suprotnom dioda ne propuštaelektriènu struju. Na slici 3.c. vidimo sim-bol za diodu. U praktiènoj izvedbi crvenatoèka na diodi oznaèava anodu, a bijeliprsten katodu.

Veæina europskih poluvodièkih diodanose nazive OA (stariji tip, npr. OA81 iliOA91), AA (germanijska dioda, npr.AA121), ili BA (silicijska dioda, npr. BA125), dok amerièke diode imaju oznaku1N (npr. 1N4001). Za potrebe detekcije

Nosaè Ru icaè

Kristal

Opruga

Anoda

P-sloj

N-sloj

Katoda

Šiljak odVolframa

Poluvodi(Germanijili Silicij)

è

Nosaè

TO KASTA DIODAÈ SLOJNA DIODA

Simbol IzgledCrvenato kaè

Bijeliprsten

0A 81

AA 121

a) b)

c)

P

N

Slika 3.

Slika 1. Slika 2.

www.hamradio.hr 15Radio HRS – 3/2005


v. f. signala najosjetljivije su germanijsketoèkaste diode, a osobito amerièka1N34A, koja se danas veæ vrlo teškonalazi. Silicijske diode mogu biti pose-bno izraðene i za veliku snagu, npr. zapretvaranje izmjeniène struje iz gradskemreže u istosmjernu struju. Takve diodenajèešæe imaju naziv BY (npr. BY 160).Ako propustimo izmjeniènu struju krozdiodu, dobit æemo poluvalno ispravljanje(slika 4.a.). Za punovalno ispravljanjepotrebno je èetiri diode spojiti u tzv.Graetzovu spoju (slika 4.b.). Na slici 5.vidimo izbor pojedinaènih dioda, kao ivanjski izgled Graetzova spoja za veæenapone i struje.

Kada smo govorili o osjetljivostidiode, mislili smo na tzv. potencijalniprag koji ima svaka dioda. Naime, iakosmo diodu spojili u propusnom smjeru,ona ipak neæe provoditi struju pri nižem

naponu – do neke granice. Taj potencija-lni prag kod silicijskih dioda iznosi 0,4do 0,9 V, a kod germanijskih 0,2 do 0,5V, što znaèi da dioda neæe reagirati nav. f. napon iz antene ako je on niži od tevrijednosti. Veæ spomenuta specijalnagermanijska dioda 1N34A ima potenci-jalni prag od svega 0,14 V, pa je stogavrlo pogodna za detektorski prijamnik.Na suvremenim digitalnim univerzalnimmjernim instrumentima na skali preklo-pnika èesto možemo vidjeti i simbol zadiodu. Taj položaj služi upravo zamjerenje potencijalnog praga diode. Priizboru diode moramo još pripaziti i nanajveæu dopuštenu struju u propusnomsmjeru, kao i na najveæi dopušten naponu nepropusnom smjeru (tzv. inverzninapon), što ga ta dioda još možeizdržati, a da ne probije.

S vremenom su se razvile i drugevrste poluvodièkih dioda razlièite na-mjene. Ovdje æemo ih samo nabrojiti:- svjetleæa dioda, tzv. LED

(light emitting diode) koja služi zaindikaciju, najèešæe umjestožaruljice,

- Zenerova dioda(po Amerikancu Clarenceu Zeneru),koja služi za stabilizaciju napona,

- kapacitivna dioda (varicap),kojoj možemo mijenjati kapacitetpromjenom napona,

- tunelska dioda,koja ima negativni otpor,

- foto-dioda (ili foto-otpornik),koja mijenja svoj otpor podutjecajem svjetlosti,

- gun-dioda,koja oscilira na decimetarskimfrekvencijama,

- pin-dioda,koja služi kao prekidaè kod visokihfrekvencija,

- laserska dioda,koja ima najširu primjenu uCD-playerima,

- Schottky-dioda,koja ima niži naponski prag, kratkovrijeme preklapanja i malenunutrašnji otpor u propusnomsmjeru (može poslužiti i umjestotoèkaste diode).

Danas smo upoznali sljedeæe pojmove:- germanijske i silicijske poluvodièe,- toèkastu diodu,- slojnu diodu, - katodu, - anodu, - poluvalno ispravljanje,- punovalno ispravljanje,- potencijalni prag diode,- razne diode posebne namjene.

Sljedeæi put govorit æemo otranzistorima.

ANODA KATODA

Izmjeni na strujaè

50 Hz

50 Hz

Istosmjerna pulziraju a strujaæ

GRAETZ

100 Hz

b)

a)

Slika 4.

Slika 5.




2.6. Tranzistori(vrste, shematski prikazNPN, PNP i FE-tranzistora)

Tranzistor su izumili znanstvenici iistraživaèi Bellovih laboratorija (istra-živaèke podružnice American Telephoneand Telegraph Company – AT&T) ugradu Murray Hill, New Jersey, 1947.godine. Njih trojica, William Shockley,Walter Brattain i John Bardeen, za tajizum dobili su 1956. godine Nobelovunagradu za fiziku. Voða tima bio jeShockley, genijalni um divlje i naprasnenaravi, samouvjeren i "bez dlake na jezi-ku", kojega je njegova okolina uglavnomtolerirala zbog njegovih znanstvenihrezultata, posebno na podruèju primjenekvantne teorije na razvoj poluvodièa. Snevjerojatnom je lakoæom svodio slo-žene i naoko nerješive probleme na nizlogiènih i jednostavnijih zadataka koje jezatim bilo moguæe riješiti. Valjda nemaizuma u povijesti koji je u pola stoljeæatoliko unaprijedio i izmijenio ljudsku civi-lizaciju kao što je tranzistor. Taj tranzis-tor nije mogao naèiniti ništa nova štoprije njega nije mogla naèiniti i elektron-ska cijev; ali je bio nesrazmjerno manjiod svoje velike i debele "roðakinje" itrošio je i toliko puta manje energije.Prema tome, teorija i tehnologija u kojuje mogao tranzistor "uskoèiti" veæ je pos-tojala gotovo pola stoljeæa, pa je vjero-jatno i to bio jedan od razloga njegovaeksplozivnog širenja. Sam Shockleyzamjerio se svijetu svojom teorijomprema kojoj crna rasa ima niži kvocijentinteligencije, a kako imaju mnogo djece,ugrožavaju intelektualni prosjek SAD-a.(Èak je predložio kastriranje osoba kojeimaju taj kvocijent niži od 100.) U vre-menu upravo suprotnih politièkih i znan-stvenih trendova, on je bio duboko uvje-ren u toènost te svoje teorije, pa ju jepokušavao i znanstveno dokazati. Jedanod najveæih i najkorisnijih umova 20. sto-ljeæa ("Times") umro je u Londonu 1989.u 79. godini života, relativno siromašan iosamljen – uvjeren da je njegov amate-rski rad na "disgenetici" važniji od izumatranzistora. Samo je supruga ostala uznjega. Danas ga nazivaju "ocem Silici-jeve doline".

Kako radi bipolarni tranzistor?Prema tome, kao i elektronska cijev,

i tranzistor služi za pojaèanje izmjeni-ènoga elektriènog signala niske ili visokefrekvencije. (Rijeè tranzistor je složenicaod transfer resistor – prijelazni otpornik.)Ovdje æemo spomenuti dvije vrstetranzistora: bipolarni i FET. Bipolarni

tranzistor može biti tipa PNP ili NPN(slika 1.). O kojem tipu se radi ovisi ovrsti poluvodièkog materijala koji smoupotrijebili. (O poluvodièkim materijalimasmo govorili kod dioda.)

Bipolarni tranzistor NPN-tipa sastojise od poluvodièke osnove p-tipa (kojanajèešæe nije veæa od nekoliko kvadra-tnih milimetara), u koju su sa svakestrane posebnim postupkom utaljenedvije kapljice poluvodièkog materijalan-tipa (slika 2.). Osnova se nazivabazom (B), manja kapljica je emiter(E), a veæa kolektor (C). Tranzistor sestavlja u metalno ili plastièno kuæište iima tri izvoda. (Èetvrti je izvod, ako gaima, uzemljenje metalnog kuæišta.)Raspored izvoda tranzistora uvijek seprikazuje s pogledom odozdo.

Bipolarni tranzistor može se približnoprikazati i kao spoj dviju dioda (slika 3.).Kako je konstrukcija takvog tranzistorasimetrièna u odnosima baza-emiter ibaza-kolektor, on se naziva bipolarnim,tj. dvopolnim. Kod tranzistora uvijekpostoje dva strujna kruga: ulazni iizlazni. Na ulazni krug dovodi se signalkoji želimo pojaèati, tj. NF ili VF struja.U izlaznom krugu taj signal dobivamopojaèan. Pritom za istosmjernu strujukrug baze (ulazni krug) mora biti spojenu propusnom, a krug kolektora (izlazni

krug) - u nepropusnom smjeru (slika4.).

Tranzistor u osnovi radi ovako: iakoje istosmjerni napon u kolektorskomstrujnom krugu spojen "obratno", tj. unepropusnom smjeru, u tom krugu ipakæe poteæi struja pod utjecajem struje ukrugu baze. To je tzv. tranzistorskiefekt i zato tranzistor nije samo obièanspoj dviju dioda kako smo to prikazali naslici 3., veæ je i više od toga. Veæ i naj-manja promjena struje u krugu baze

BB

CC

EE

PNPNPN

Bipolarni tranzistor

Slika 1.

E

E

EEB

B

B

BCCC

C

Podnoja: pogled odozdo

Struktura N-P-N tranzistora

Kolektor

Emiter

BazaPoluvodièka osnovaP-tipa

Vanjski izgled

N-tip

N-tip

Kolektor Kolektor

Emiter Emiter

Baza Baza

B BB B

C C

E E

Nadomjesna shemaza NPN-tranzistor

Nadomjesna shemaza PNP-tranzistor

Slika 3.

Slika 2.

B

C

E

NPN

A

mA

Strujni krug baze--ulazni strujni krug

Strujni krug kolektora:izlazni strujni krug

Slika 4.



izazvat æe oko stotinu puta veæu pro-mjenu struje u krugu kolektora. To jeosnova za upotrebu tranzistora kaopojaèala. Kada u ulaznom krugu ne teèenikakva struja, ona neæe teæi niti u krugukolektora. Kod tranzistora male snage,kakvi se najèešæe upotrebljavaju, strujabaze mjeri se mikroamperima (µA, mili-juntnina ampera), a struja kolektora umiliamperima (mA, tisuænina ampera).U struènoj literaturi govori se o faktorustrujnog pojaèanja β (beta). To je omjerizmeðu promjene struje kolektora ipromjene struje baze, i on najèešæeiznosi 30 do 300, ovisno o tipu i kvalitetitranzistora. Dakako, postoje i tranzistorisnage kod kojih se struja mjeri amperi-ma.

Pazite! Izvor napona u strujnom kru-gu kolektora nikada se ne smije spojiti upropusnom smjeru, jer æe prevelika inekontrolirana struja uništiti tranzistor!Dakle, na NPN tranzistoru kolektor morabiti pozitivan, a na PNP tranzistoru –negativan. Radni napon tranzistora naj-èešæe iznosi izmeðu 3 i 30 volta. U bipo-larnih tranzistora ulazni strujni krug imamanji ulazni otpor, oko 200 Ω, dok jeizlazni otpor kolektorskog kruga neštoveæi (i do nekoliko kilooma). Ovdje smoprikazali rad tranzistora u tzv. spoju sazajednièkim emiterom jer je u ovomspoju emiter zajednièka elektroda zaoba kruga (slika 4.). Postoje i spojevi sazajednièkom bazom i sa zajednièkimkolektorom, èime se ne mijenja naèelnoprikazan rad bipolarnog tranzistora.Osnovnu ispravnost bipolarnog tranzis-tora možemo provjeriti i ommetrom takoda ga ukljuèimo u krug baze, i zatim ukrug kolektora - najprije u propusnomsmjeru, a zatim u nepropusnom smjeru,kao kada provjeravamo ispravnostdioda. Suvremeni digitalni univerzalnimjerni instrumenti èesto imaju položaj iprikljuène rupice za mjerenje strujnogpojaèanja β (beta). Posebno se izraðujubipolarni tranzistori za pojaèanje niskih,a posebno za pojaèanje visokih frekve-ncija. (Ovi potonji imaju manji unutrašnjikapacitet izmeðu svojih elektroda.)

Kako radi FET?Kada su Bardeen, Brattain i Shockley

poslije Drugoga svjetskog rata zapoèelisvoja istraživanja na poluvodièima uBellovim laboratorijima, oni su zapravonamjeravali dovršiti ono što danas nazi-vamo tranzistor s efektom polja (FET -field effect transistor), što ga je još 1925.zamislio naturalizirani Amerikanac –Austrijanac Julius Lilienfeld, a Shockleyga predložio za daljnji razvoj. Meðutim,kako je ta ideja bila patentirana, Bellovilaboratoriji su se predomislili i istraživa-nje usmjerili prema onome što danasnazivamo tranzistor s kontaktnim šiljci-ma. Kako je to podruèje bilo bliže Ba-rdeenu i Brattainu, Shockley se izdvojio inastavio istraživati kod kuæe. Nešto prije

Božiæa 1947. godine prvoj dvojci prora-dio je tranzistor s kontaktnim šiljcima, ada Shockley nije bio blizu, pa èak nije niznao za to. Shvativši da æe njegovo imebiti izostavljeno, digao je užasnu galamujer je on bio pokretaè istraživaèkog pro-jekta. Kako je tranzistor s kontaktnimšiljcima bio vrlo nestabilan i nepouzdan,Shockley je u roku od samo nekolikotjedana, vjerojatno iz inata da pokažešto on može, izišao u javnost s cjelovi-tom teorijom o ponašanju poluvodièa iobjavio svoje rješenje stabilnog tranzis-tora koji je i proradio 1950. godine: to jeslojni tranzistor u kojemu se u oblikusendvièa nalaze tri sloja poluvodièa –ili u kombinaciji PNP ili NPN. Pokazalose da je to pravo rješenje, pa su Nobe-lovu nagradu ravnopravno podijelila svatrojica.

Što je bilo s FET-om kao polaznomidejom? Lilienfeld je teoretski toèno pre-dvidio moguænost izrade FET-a, alitehnologija proèišæavanja poluvodièa uto vrijeme još nije bila na razini da bi onmogao proraditi. Tek oko 1960. godinestruènjaci Bellovih i nekih drugih labora-torija usavršili su postupak u dovoljnojmjeri da bi FET proradio. FET je mnogoslièniji elektronskoj cijevi triodi, veæ i zatošto je njegov ulazni otpor vrlo velik.Postoje dvije vrste FET- tranzistora:J-FET I MOS-FET (ili IG-FET). I jedani drugi mogu biti s n-kanalom ili sp-kanalom. Naziv J-FET dolazi od"junction FET" (spojni FET), a IG-FETod "insulated gate FET" (FET s izolira-nim vratima).

Strukturu i simbol J-FET-a vidimo naslici 5. Kao i bipolarni tranzistor i FETima tri izvoda, ali se drukèije zovu:

S (source - izvor)G (gate - vrata, zasun)D (drain - odvod).

Kod FET-ova s n-kanalom, koji suèešæi, kada na izvor S dovedemo nega-tivni, a na odvod D pozitivni pol napona,kroz kanal æe proteæi struja. Vrata G suelektroda za regulaciju struje FET-a i uodnosu na izvor S moraju biti negativnopolarizirana. Tako se u n-kanalu stvara"suženje" koje smanjuje struju FET-aotprilike na polovicu – kao kada stanemona cijev za zalijevanje vrta. (To se zoveradni režim FET-a u A-klasi.) Taj nega-

tivni napon mora, dakako, biti toènoodmjeren; prevelik prednapon mogao bistruju FET-a smanjiti do ništice. Kakomalene promjene napona na vratima Guzrokuju znatne promjene struje krozFET, on radi kao pojaèalo. J-FET imaulazni otpor od nekoliko megaoma i potome je slièan elektronskoj cijevi triodi(slika 6.).

Potrebno je uoèiti da spoj vrata-izvor(G - S) u J-FET-u predstavlja polu-vo-dièku diodu. Zato vrata J-FET-a sn-kanalom nikada ne smiju dobiti pozi-tivan napon: zbog struje zasiæenja FETbi prestao raditi kao pojaèalo, a moždabi bio i uništen. Još veæi ulazni otpor imaMOS FET (metal oxide semiconductorFET), nazvan još i IG FET (insulatedgate FET – FET s izoliranim vratima).Naime, kod njega se izmeðu vrata ikanala nalazi vrlo tanak sloj oksida, kojije odlièan izolator (slika 7.). Na taj naèinupravljanje strujom u kanalu ostvarujese iskljuèivo naponom, elektrostatièki,a ulazni otpor penje se na stotine mega-

N-k

anal

Odvod

D

S

Izvor

Vrata

G

S

S

G

G

D

D

J-FET s N-kanalom

Slika 5.

Odvod

Izvor

Vrata

SG

D

10 V100 VAnoda

A

Rešetka

G

K

Katoda

Slika 6.

N-k

anal

Odvod

D

S

Izvor

Vrata

G

MOS-FET s N-kanalom

Slojmetalnog

oksidaMOS-FET s

jednim vratima

MOS-FET sdvojim vratima

GD

D

S

SG1

G2

Slika 7.



oma. Postoje i IG-FET-ovi s dvama vra-tima, koji su zato pogodni za miješanjeu superheterodinskim prijamnicima.

Postoji nekoliko sustava oznaèavanjatranzistora. U europskom sustavu prvoslovo oznaèava osnovni materijal:A za germanij i B za silicij. Drugo slovooznaèava namjenu: C – NF tranzistormale snage, D – NF tranzistor veæesnage, F – VF tranzistor. Broj iza slovaje redni broj tog tipa tranzistora. Npr.AC117 je germanijev NF tranzistor,BF173 je silicijev VF tranzistor, BF145je silicijev J-FET (u europskom se sus-tavu FET-ovi ne oznaèavaju na posebannaèin).

Amerièka oznaka sastoji se od zna-menke, slova N i još dvije do èetiriznamenke: 2 je bipolarni tranzistor iliJ-FET (npr. 2N2222, 2N3819), a 3 jeMOS FET (npr. 3N200). Japanci i Rusiimaju svoje naèine oznaèavanja tranzis-tora.

U ovome napisu spomenuli smosamo dvije osnovne vrste tranzistora,iako postoje i druge.

Danas smo upoznali sljedeæe pojmove:- tranzistor,- tranzistorski efekt,- faktor strujnog pojaèanja bipolarnog

tranzistora,

- dvije osnovne vrste tranzistora:bipolarni i FET,

- bipolarne tranzistore NPN i PNP,- FE tranzistore J-FET i IG-FET,- FET s n-kanalom i FET s p-kanalom,- elektrode bipolarnog tranzistora:

emiter E, bazu B i kolektor C,- elektrode FET-a: izvor (source, S),

vrata (gate, G ) i odvod (drain, D),- ulazni strujni krug i izlazni strujni krug

tranzistora.

Sljedeæi put govorit æemo o elektronskimcijevima.





2.6. Elektronske cijevi(osnovno poznavanje,funkcije pojedinih elektroda)

Krajem devetnaestoga stoljeæa tekroðena radiotehnika našla se u krizi.Problem je bio u slaboj osjetljivosti pri-jamnika s kohererom, što se pokušavalonadoknaditi veæom snagom odašiljaèa.(G. Marconi je za vezu iz Engleske sbrodovima na Atlantiku rabio odašiljaèsnage 30 kW!) Svjetlo na kraju tunelaprvi je upalio engleski inženjer JohnAmbrose Fleming, ugradivši metalnuploèicu u Edisonovu žarulju u kojoj jevladao vakuum. (To je bio uèinio veæ iEdison, ali nije dalje istraživao.) Poka-zalo se, kada je Fleming na užarenu nitstavio minus, a na ploèicu plus pol bate-rije, da kroz vakuumsku cijev protjeèestruja (slika 1.). On je taj svoj izum naz-vao thermionic valve – termionski ventil,jer je nit morala biti užarena, kako biizbacivala elektrone (on je mislio ione),a ventil zato jer je cijev provodila struju

samo u jednom smjeru. Kasnije je cijevnazvana diodom jer ima dvije elektrode– negativnu katodu i pozitivnu anodu.Fleming je brzo uvidio da anoda morabiti u obliku cilindra koji obuhvaæa ka-todu, kako bi privukla sve elektrone.Radiotehnika je dobila pouzdanu napra-vu koja je mogla izmjeniènu struju pre-tvarati u istosmjernu, pa tako i otkrivatiradiovalove, odnosno visokofrekventnestruje. (Zanimljivo je da je popularnakristalna dioda izumljena tek poslije dvijegodine – 1906.). Ipak, još uvijek jenedostajalo ono najvažnije – pojaèanjeslabašnih signala koji dolaze iz antene.

Tehnièkom i istraživaèkom intuicijomAmerikanac Lee de Forest 1907. godineizmeðu katode i anode ubacuje žièanurešetku i tako dobiva novu vrstu elek-tronske cijevi - triodu (slika 2.). Stvar jeu tome što veæ malene promjenenapona na toj upravljaèkoj rešetki(g1 - engl. grid), izazivaju velike pro-

mjene anodne stru-je, pa cijev radi kaopojaèalo. Lee deForest je priznao dabaš ne razumijesasvim kako dioda itrioda rade. I on jemislio je da se radi oprolazu iona krozostatke plina (niskivakuum). Ipak, radi-otehnika je moglakrenuti naprijed. (Fleming je tužio deForesta da mu je ukraopatent. Parnicu je ipak dobiode Forest kada je dokazaoda njegov izum, trioda, imabitno novo svojstvo koje dio-da nema, a to je pojaèanje.)Tek je 1915. AmerikanacIrving Langmuir dokazao dase kod elektronske cijevi radio prolazu elektrona krozvakuum koji zato mora bitišto veæi (visoki vakuum).

Dok se napajanje prijam-nika ostvarivalo iz baterija, uuporabi su bile tzv. direktnogrijane elektronske cijevikojima užarena nit služi i kaokatoda. A kada je izmjeniènastruja gradske mreže ušla uopæu upotrebu, prešlo se na indirektnogrijane elektronske cijevi – oko 1930.godine (slika 3.). Katoda je sada uskacijev od nikla kroz koju prolazi izoliranažarna nit. Tako se izbjeglo brujanje nafrekvenciji gradske mreže. Da bi cijevproradila, treba prièekati oko jedneminute dok se katoda ugrije. U Europi sujoš uvijek najpoznatije cijevi E-serijekojima napon grijanja iznosi 6,3 V~, kaoi cijevi P-serije (za televizore) sa strujomgrijanja od 0,3 A~.

U poèetku je žarna nit svijetlila kao i užarulje, ali se ubrzo otkrilo da je emisijakatode mnogo izdašnija ako se pokrijebijelim slojem barijeva i stroncijevaoksida. Tada je dovoljno zagrijati katoduna oko 1 000 OC (naranèasto), pa jetako, uz manju potrošnju, i trajnostcijevi mnogo veæa. Uz napon grijanjamoramo imati i izvor anodnog naponakoji kod prijamnih cijevi obièno iznosi100 … 250 V.

Najvažnije podatke o triodi možemodobiti iz njene Ug/Ia karakteristike(slika 4.). Ona nam govori kako semijenja anodna struja Ia pod utjecajempromjena n.f. ili v.f. napona U na upra-vljaèkoj rešetki g1. Što je ta karakteri-stika strmija, to imamo veæe pojaèanje.

(Kako dolazi do struje zasiæenja veæ kodnultog napona na upravljaèkoj rešetki,elektronske cijevi moraju raditi u nega-tivnom podruèju napona na g1.) Najširuupotrebu trioda je dobila kada je EdwinArmstrong izumio pozitivnu povratnuspregu, jer je takav prijamnik za onovrijeme bio vrlo osjetljiv i dovoljno sele-ktivan. To je tzv. direktni prijamnik spovratnom spregom kojim su se služili

Anoda

UarenaNIT-katoda

A

mA

B

S

Slika 1.

Anoda

g1 g1

Upravljaèkarešetka

k

a

UarenaNIT-katoda

Slika 2.

g1

Simbol za indirektnoarenu triodu

a

k

f f

arna nitmotanabifilarno

Oksidni sloj

Cjevèicaod nikla

Izolator

f f

Katoda

Slika 3.

Anodna struja,pojaèan signal

Signal kojitreba pojaèati

Ia

Ug1

Rad

naka

rakt

eris

t kia

Slika 4.


mnogi radioamateri prije Drugog svjets-kog rata, pa i poslije njega.

Trioda je pokazala i neke nedostatke.U prvome redu to je bio velik kapacitetizmeðu anode i upravljaèke rešetke, štoje stvaralo nestabilnost kod radijskihfrekvencija, kao i smanjeno pojaèanjezbog velikog prohvata, tj. zbog utjecajaanode na anodnu struju. Taj problemriješen je 1926. kada je izmeðu upravlja-èke rešetke i anode ugraðena još jednarešetka – zaštitna (g2). Tako smo dobilitetrodu. Zaštitna rešetka dobiva poziti-van napon niži od anodnoga, ali je zavisoke ili niske frekvencije uzemljenapreko kondenzatora. Nedostatak tetrodesu tzv. sekundarni elektroni koji se izbi-jaju iz anode i poveæavaju struju zaštitnerešetke g2. Ako se dogodi da je naponna g2 veæi nego na anodi, g2 preuzimanjenu ulogu, pa se može užariti i rasta-liti. Taj problem riješen je 1929. tako daje izmeðu zaštitne rešetke i anode sta-vljena još jedna, treæa rešetka nazvanakoèeæom (g3). Ona je spojena na kato-du ili na minus pol i sprjeèava seku-ndarne elektrone da doðu do zaštitnerešetke (slika 5.). To je pentoda – cijevs pet elektroda, odnosno tri rešetke.Postoje i cijevi s još više elektroda irešetki – heksoda, heptoda i oktoda –sve prema grèkim brojevima. U suvre-menoj izvedbi postoje i višestruke cijeviu istome balonu: trioda-pentoda, dvos-truka trioda, trioda-heptoda, duodioda-trioda, itd. Postoji nekoliko sustavaoznaèavanja elektronskih cijevi. Euro-pski je najbolje sistematiziran i najlakšese pamti.

Kada elektronska cijev radi kaopojaèalo snage, npr. u izlaznom stupnjuodašiljaèa, moramo pripaziti i na dopu-štenu disipaciju anode, tj. kolièinu topli-ne koju anoda može preuzeti na sebe.Naime, ne pretvara se sva istosmjernasnaga u visokofrekventnu energiju, veæse jedan dio pretvara u toplinu kojazagrijava anodu. Zato se za tu namjenuizraðuju veæe i snažnije cijevi. Moguæiomjer izmeðu v.f. snage i snage pre-tvorene u toplinu iznosi približno 2:1,ovisno o radnome režimu cijevi – npr.ako anoda ima disipaciju od 25 W, izcijevi možemo "izvuæi" oko 50 W v.f.energije. Podatke o elektronskim cije-vima kao i spoj podnožja naæi æemo uposebnim priruènicima, koji su se neka-da na latinskom zvali "Vade mecum"(poði sa mnom.) Na slici 6. vidimoskupinu suvremenijih elektronki razlièitesnage i namjene.

Danas su elektronskecijevi zamijenjenetranzistorima. Ipak imasluèajeva kada se jošupotrebljavaju – u nekevojne svrhe, u skupljimhi-fi pojaèalima i u izla-znim stupnjevima odaši-ljaèa iznad 200 W.Elektronske cijevi jošuvijek ne treba smatratizastarjelim izumom, kaonpr. parnu lokomotivu,veæ kao paralelno tehni-èko rješenje u odnosu natranzistore. Ipak, odla-

skom elektronskih cijevi, oko sredineprošloga stoljeæa, završeno je romanti-èno, tzv. "zlatno doba" radiotehnike.

Danas smo upoznali sljedeæe pojmove:- elektronska cijev dioda,- katoda,- anoda,- elektronska cijev trioda,- upravljaèka rešetka g1,- direktno grijana katoda,- indirektno grijana katoda,- Ug/Ia karakteristika,- tetroda,- zaštitna rešetka g2,- pentoda,- koèeæa rešetka g3, - disipacija anode.

U sljedeæem nastavku govorit æemo ofiltrima.

AnodaAnoda

Koèeæarešetka Zaštitna

rešetkaZaštitnarešetka g1

g1

g2

g2

g3

KatodaKatoda

PENTODATETRODA

Upravljaèkarešetka

Slika 5.

elektronika za mladeFor Evaluation Only.Copyright (c) by Foxit Software Company, 2004 - 2007Edited by Foxit PDF Editor




Poglavlje 3.

Krugovi3.1 Osnovno poznavanje

elektriènih filtaraElektrièni filtri su sklopovi koji propu-

štaju izmjeniènu struju samo odreðenihfrekvencija, dok druge frekvencije zna-tno oslabljuju ili ih uopæe ne propuštaju.Kod niskih frekvencija filtri se najèešæesastoje od otpornika i kondenzatora(RC-filtri), dok se kod visokih frekvencijaoni sastoje od zavojnica i kondenzatora,tj. od induktivnosti i kapaciteta (LC-filtri).Postoje aktivni i pasivni filtri. Aktivni filtriu sebi imaju i pojaèalo s povratnomvezom, dok pasivni filtri to nemaju.Ovdje govorimo o pasivnim filtrima.

U prvim danima radiotehnike, krajem19. stoljeæa, prijamna antena se vezivalaneposredno na detektorski krug, takoda smo u slušalicama istodobno èulitelegrafske signale svih odašiljaèa uokolini. Kako su odašiljaèi u pravilu radilipomoæu zupèastoga rotacijskog iskrišta,a visina tona svakog odašiljaèa se razli-kovala ovisno o brzini vrtnje tog iskrišta,brodski su radiotelegrafisti "birali" že-ljenu postaju usredotoèivši svoj sluh naodreðenu visinu tona, pa je tako njihovmozak služio kao prvi filtar. To uostalomèine iskusniji radioamateri i danas kadau slušalicama èuju dvije ili tri radiotele-grafske postaje istodobno.

Imamo èetiri vrste filtara:- niskopropusni, koji propušta

izmjeniène struje samo doodreðene graniène frekvencije,iznad koje ih više ne propušta ili ihznatno oslabljuje (NPF, engleskiLPF – low pass filter);

- visokopropusni, koji propuštaizmjeniène struje tek poèevši odneke graniène frekvencije, dok nižene propušta (VPF, engleskiHPF – high pass filter);

- pojasnopropusni, koji propuštasamo jedan uski pojas frekvencija,dok ostale ne propušta jer za njihpredstavlja velik otpor (PPF,engleski BPF – band pass filter);

- pojasnozaporni, (ili nepropusni)koji ne propušta odreðeni uski pojasfrekvencija, dok ostale propušta jerza njih predstavlja malen otpor(PZF, engleskiBSF – band stop filter).

Svojstva tih filtara grafièki suprikazana na slikama 1. a-d, iz kojihmožemo lako vidjeti koje frekvencije tajfiltar propušta, a koje oslabljuje.

Idealnu karakteristikupojedinog filtra oznaèilismo crticama, ali nju upraksi nije moguæepostiæi. Svaki filtaristodobno stvara i faznipomak izmeðu svogaulaza i izlaza, no ovdjeto nije tema. O pojasno-propusnom i pojasno-zapornom filtru govoritæemo u sljedeæem nasta-vku.

Kada odreðujemo ka-kav filtar želimo, moramonavesti vrstu filtra (NPFili VPF), njegovu graniènufrekvenciju f0, kao i njegovulazni, odnosno izlazni

otpor R0 (što je jako važno, jer ako tajotpor nije prilagoðen otporu priklju-èenog ureðaja, filtar neæe davati oèeki-vane rezultate). Za broj èlanova u filtruvažna je još i predviðena velièinagušenja neželjenih frekvencija izraženau decibelima po oktavi.

Osnovni oblik niskopropusnog filtravidimo na slici 2.a. To je zapravofrekvencijski ovisan razdjelnik napona.Kada se frekvencija poveæava, indu-ktivni otpor zavojnice raste, a kapaci-tivni otpor kondenzatora pada. Ako naspoj gledamo kao na razdjelnik napona,onda je razumljivo da je s porastomfrekvencije napon na izlazu sve manji.Kod visokopropusnog filtra (slika 2.b.)situacija je obratna.

Kako bismo dobili što oštrije "kolje-no" na graniènoj frekvenciji, filtri serade s veæim brojem elemenata. Slika3. prikazuje niskopropusni filtar s 5elemenata (zavojnica i kondenzatora;n = 5). Postoji nekoliko naèina izraèu-navanja NPF i VPF, ali se èesto daju iveæ gotove tablice. Najpoznatiji inajlakši je naèin po britanskome inže-

I f( )

I f( )

I f( )

I f( )

f0

f0

f

f

f

f

f1

f1

f2

f2

a)

b)

c)

d)

Nisko-propusni

Visoko-propusni

Pojasno-propusni

Pojasno-zaporni

Izlaz

Izlaz

C

C

UlazV.F.

UlazV.F.

L

L

a) b)

Slika 2.

R0

R0

R0

R0

L2 L4

C1 C3 C5

L1 L3 L5

C2 C4

a)

b)

Slika 3.

Slika 1.

www.hamradio.hr

njeru S. Butterworthu, a iza njega dolazimatematièki postupak po Èebiševu.Kako u Velikoj Britaniji ima mnogo Butte-rwortha, zanimljivo je da Butterworth usvome èlanku iz 1930. nije htio otkriti štoznaèi ono S. – pretpostavlja se Stephen.Postoji i moguænost da se sve skupa radio pseudonimu. Pafnutij Ljvoviè Èebišev(1821 - 1894.) bio je ruski matematièar,èija je teorija ortogonalnih polinomaposlužila za izraèun filtra, pa je takavizraèun imenovan njemu u èast. Imaoje francusku guvernantu te je jednakodobro govorio francuski kao i ruski.Stoga je svoje radove objavljivao nafrancuskom, što je mnogo pridonijelonjegovoj znanstvenoj karijeri.

Iako shematski i jedan i drugi filtarizgledaju jednako, razlika izmeðu filtra(tj. velièine zavojnica i kondenzatora)izraèunatog po Butterworthu i filtra poÈebiševu jest u tome što prvi ima blažekoljeno i vrlo ravnu propusnu karakteri-stiku, dok drugi ima oštrije koljeno, ali ivalovitu propusnu karakteristiku (engle-ski ripple, slike 4.a., 4.b.). (Zbog toganije pogodan npr. za hi-fi niskofrekve-ntna pojaèala.) Još oštrije koljeno imajutzv. eliptièni filtri, ali nažalost i velikuvalovitost u nepropusnom dijelu karakte-ristike. Teorija filtara je, dakle, priliènosložena. Niskopropusni filtar pretvara seu visokopropusni tako da zavojnice i ko-ndenzatori meðusobno zamijene mjesta.

Dolaskom amaterskih odašiljaèa stranzistorima naglo se poveæala primje-na niskopropusnih filtara. Radi se otome da izlazni tranzistori, osim osno-vne, proizvode i snažne harmonièkefrekvencije, koje padaju u viša frekvenci-jska podruèja i tamo stvaraju smetnje,što je zakonom zabranjeno. Prematome, niti jedan odašiljaè, pa ni amate-rski, ne može dobiti dozvolu za rad, dokmu izlaz nije "èist", tj. bez harmonièkihfrekvencija. Tu služe niskopropusni filtrikoji ne propuštaju frekvencije iznad

osnovne. Npr. ako naš odašiljaè radi na3 500 kHz,graniènu frekvenciju niskopro-pusnog filtra postavit æemo na 4 000 kHz,pa ako je on dovoljno kvalitetan, drugaharmonièka frekvencija na 7 000 kHzneæe se èuti, kao ni sve više harmoni-èke frekvencije. Na taj naèin izbjegava-

mo velike i skupe promjenljive titrajnekrugove koji su kod odašiljaèas elektronskim cijevima neizbježni, apojednostavljuje se i ugaðanje takvihodašiljaèa. Dakako, za svako amate-rsko podruèje moramo imati posebanniskopropusni filtar namješten napotrebnu graniènu frekvenciju, kao i naimpedanciju izlaznog pojaèala i koaksi-jalnog antenskog voda, odnosno antene(slika 5.). Danas na tržištu postoje itvornièki niskopropusni filtri za pojedinaamaterska podruèja. Ulazna i izlaznaimpedancija im je standardnih 50 oma,a predviðeni su za neku maksimalnudopuštenu snagu. Nisko i visokopropu-sni filtri imaju i mnoge druge namjene,ali ovdje smo naveli samo onu koja jenajvažnija za radioamatere.

Danas smo upoznali sljedeæe pojmove:– èetiri vrste elektriènih filtara

(NPF, VPF, PPF i PZF),– graniènu frekvenciju, f0,– filtar po Butterworthu,– filtar po Èebiševu,– ulaznu i izlaznu impedanciju filtra R0.

Sljedeæi put govorit æemo o titrajnimkrugovima i izraèunu rezonantnefrekvencije.

22 Radio HRS – 6/2005


1

1

0

0

f

ff0

a)

b)

Slika 4.

ODAŠILJAÈ

3,5;7; 14MHz

Mikrofon

7MHz

3,5MHz

14MHz

N P F

N P F

N P F

Antena

Slika 5.

elektriènu energiju).





3.2. Pojasnopropusni filtar iizraèun rezonantne frekvencije U prošlom nastavku obradili smo

niskopropusni i visokopropusni filtar,pa su nam ostali još pojasnopropusnifiltar i pojasnozaporni filtar, koji su odprvih dana radiotehnike najvažniji tipovifiltara, jer propuštaju (ili ne propuštaju)samo uzak pojas frekvencija i tako osig-uravaju selektivnost prijamnika. Najèešæitip pojasnopropusnog filtra je titrajnikrug, iako još postoje i drugi: s kristalomkvarca, keramièki rezonator i elektrome-hanièki filtar. Njihovo djelovanje osnivase na rezonanciji, tj. svojstvu da istièujednu odreðenu frekvenciju, dok ostaleguše. Titrajni krug se sastoji od indukti-vnosti i kapaciteta, tj. od zavojnice ikondenzatora (slika 1.). Svaki titrajni

krug ima neku svoju vlastitu rezonantnufrekvenciju. Što su zavojnica i konde-nzator veæi, to je rezonantna frekvencijaniža – i obratno. (Omski otpor žice uzavojnici R ne utjeèe na rezonantnufrekvenciju, veæ na kvalitetu titrajnogkruga.) Titrajni krug može biti serijski iliparalelni (slika 2.). Rezonantnu frekve-nciju titrajnoga kruga možemo izraèunatiprema obrascu Williama Thomsona(lorda Kelvina, 1853.):

Do rezonancije dolazikada se kod neke frekve-ncije induktivni otporzavojnice XL izjednaèi skapacitivnim otporomkondenzatora XC.Zato izraz XL = XC zovemouvjetom rezonancije.Stvar je u tome što kodzavojnice napon prethodi struji, dok kodkondenzatora struja prethodi naponu (uidealnom sluèaju za 90O), pa ukupnafazna razlika meðu njima iznosi 180O,što znaèi da se induktivni otpor XL ikapacitivni otpor XC u rezonanciji meðu-

sobno poništavaju. Ostaje samoomski otpor žice R kojom jenamotana zavojnica, a taj je vrlomalen. (Ovo je primjer za serijskititrajni krug – slika 3.) Prematome, kod serijskoga titrajnogkruga njegov složeni otpor zaizmjeniènu struju X (impedancija)u rezonanciji je najmanji, a strujakroz njega je najveæa. Kakoodmièemo frekvenciju na jednu ilina drugu stranu, impedancija kru-ga se poveæava. Tako dobivamorezonantnu krivulju tog titrajnogkruga. Ona æe biti to uža što jekvaliteta titrajnog kruga Q veæa(slika 4.), dakle, što je impedanci-ja zavojnice veæa i što zavojnicaima manji omski otpor: Q = XL / R.To je tzv. "faktor kvalitete" titra-jnog kruga, koji obièno iznosiizmeðu 50 i 300. On nam govoriza koliko puta æe se visoko-frekventna struja u titrajnom krugupoveæati kada on doðe u rezona-nciju. (Danas se, umjesto na karto-nskom valjku, zavojnice motajuna v.f. željezu ili na feritnomprstenu, toroidu, pa su zato mini-jaturne i trebaju manje zavoja –što znaèi i bolji Q.)

Sve što smo do sada rekli vrijedi i zaparalelni titrajni krug s jednom razlikom:obratno negoli kod serijskog titrajnogkruga, on u rezonanciji ima najveæuimpedanciju koja se s promjenomfrekvencije smanjuje (slika 5.). Inaèe,Thomsonov obrazac vrijedi i u ovomsluèaju. Kako bi se rezonantna frekve-ncija u prijamnicima mogla mijenjati,izraðuju se promjenljivi kondenzatori. Izpraktiènih razloga u prijamnicima rabimogotovo iskljuèivo paralelne titrajne kru-gove. Kada nam treba veæa selektivnostili odgovarajuæi propusni pojas, povezatæemo nekoliko titrajnih krugova, bilo

Slika 2.

Slika 3.

Slika 4.

Slika 5.

LC2

1f

Slika 1.



induktivno, bilo kapacitivno. No, to je širatema.

Thomsonov obrazac je prilièno nezgo-dan za izraèun (nije lako raèunati ufaradima i henrijima i izvaditi drugi kori-jen iz decimalnog broja u nazivniku), paza amaterske potrebe postoji preraðenai prilagoðena formula:

gdje je:

f = frekvencija u MHz,L = induktivnost u µH,C = kapacitet u pF.

Naprimjer: koliku rezonantnu frekve-nciju ima titrajni krug uz induktivnostL = 120 µH i kapacitet C = 300 pF?

Odgovor:

- pa je rezonantna frekvencija =0,837 MHz = 837 kHz.

Još oštriju rezonantnu krivulju imakristal kremena (kvarca). Kada takvukristalnu ploèicu stavimo izmeðu dvijelimene ploèice, ona se ponaša kao vrlo

kvalitetan serijski titrajni krug. Tako izgle-da i njegov simbol (slika 6.). Nedostatakje kvarcnoga kristala što ne može mije-njati svoju rezonantnu frekvenciju, veæradi na onoj za koju je izbrušen. Spaja-njem više komada kvarcnih kristalamožemo dobiti vrlo selektivne pojasno-propusne filtre, ali im je cijena priliènovisoka. Keramièki filtri slièni su kvarcni-ma, ali su jeftiniji i imaju širu rezonantnukrivulju. Elektromehanièke meðufre-kventne filtre ugraðivala je svojedobnou svoje prijamnike amerièka tvrtka"Collins", ali se oni danas veæ teškonalaze. Vrlo su skupi.

Na slici 7. vidimo pojasnopropusni (A)i pojasnozaporni (B) filtar. Oba se sasto-je od jednoga paralelnog i jednoga seri-

jskog titrajnog kruga. Koju funkciju æeobavljati ovisi o tome kako smo ih spojili.Filtar na slici A je pojasnopropusni: para-lelni titrajni krug L2C2 istièe rezonantnufrekvenciju koju serijski titrajni krugL1C1 s lakoæom propušta. U sluèaju Bserijski titrajni krug L2C2 kratko spajarezonantnu frekvenciju, dok je paralelnititrajni krug L1C1 ne propušta. To je,dakle, pojasnozaporni filtar.

Nikola Tesla je prvi primijenio pojavuelektriène rezonancije u radiotehnici,za što je i dobio patent 1900. godine.Njegov sustav od èetiri ugoðenatitrajna kruga, dva u odašiljaèu i dvau prijamniku, još je i danas neizbje-žno naèelo svake radijske veze(slika 8.). Meðutim, nakon tri godine

upornih pokušaja i lobiranja, na dosadaneobjašnjen naèin Gulielmo Marconiuspijeva 1907. dobiti patentno pravo naisti taj izum, za koji dobiva i Nobelovunagradu 1911. kao izumitelj radija. Toje bio jedan od dva razloga zbog kojihje ponosni Tesla javno odbio Nobelovunagradu koju je trebao dobiti 1914.godine. (Drugi je razlog bio taj, što je tunagradu trebao podijeliti s Thomasom A.Edisonom, koji je godinama u amerièkojjavnosti vodio sramotnu harangu protivizmjeniène struje i Nikole Tesle.) Tek ulistopadu 1943. godine Vrhovni patentnisud SAD-a poništio je Marconijev patenti proglasio Teslin patent izvornim i origi-nalnim. Ali to se dogodilo devet mjeseciposlije Tesline smrti i nakon što jeMarconi punih 35 godina maksimalnofinancijski iskorištavao taj patent, dok jeTesla umro kao velik siromah. I tako ititrajni krugovi imaju svoju gorku prièu.

Danas smo upoznali:- titrajni krug kao pojasnopropusni filtar, - uvjet rezonancije,- serijski i paralelni titrajni krug,- rezonantnu frekvenciju titrajnoga

kruga,- faktor kvalitete Q titrajnog kruga,- rezonantnu krivulju titrajnog kruga, - kvarcni kristal,- keramièki rezonator.

U sljedeæem nastavku govorit æemo oispravljanju izmjeniène struje,pojaèalu i oscilatoru.

Slika 7.

Slika 8.

Slika 6.

LC

159f

8370190

159

36000

159

300120

159,MHzf

Documents

Piše: Božidar Pasari , 9A2HL Elektronika za mlade- 6. nastavakradioclubkastilac.hr/wp-content/uploads/2017/03/6-12elektronika-za-mlade.pdf · Radio HRS - 2/2005 9 elektronika za