Transcript Elektron_komponentteja

Elektroniikka?
Elektroniikka on sähkön käsittelemistä sen
hienojakoisimmassa muodossa:
– varauksina
– bitteinä
– signaaleina ja viesteinä
– sähkömagneettisena säteilynä
– tehoina
Linkki: http://koti.mbnet.fi/huhtama/ele/
Elektroniikka?
Elektroniikka (Electronics) tutkii sähkön liikkumista tyhjiössä,
kaasussa ja puolijohteissa sekä tähän ilmiöön liittyviä
sovelluksia > Elektroniikka on oppia elektronien liikkeestä
Sähkötekniikka (Electrical) on yleisempi termi sulkien sisäänsä
kaikki sähkön mahdollistavat liikkumisväliaineet, eritoten
metallit. Nykyään kylläkin myös elektroniikka tutkii sähkön
johtumista metalleissa ja niihin liittyvissä sovelluksissa. Rajaus
tehdäänkin nykyään usein sovelluskohtaisesti.
Elektroniikkaan katsotaan kuuluvan mm seuraavat asiat:
Elektroniikan komponentit, tietokoneet, säätölaitteet ja
tietoliikennetekniikka.
Lähde: ttp://www.ele.tut.fi/teaching/7401003/aputieto.pdf
Elektroniikan komponentit
Komponentit ovat elektroniikkapiirien perusrakenneosia.
Kaikki elektroniset kytkennät koostuvat vaihtelevasta
määrästä toisiinsa liitetyistä komponenteista, jotka
muodostavat toimivan virtapiirin.
Komponentit voidaan ryhmitellä seuraavasti:
•sähkömekaaniset komponentit
•passiiviset komponentit
•sähkömagneettiset komponentit
•näyttökomponentit eli optiset komponentit
•aktiiviset komponentit
•tehoelektroniikan komponentit
Sähkömekaaniset komponentit
Sähkömekaaniset komponentit eivät vaikuta (eivät saisi
vaikuttaa!!) kytkennässä esiintyvien signaalien kulkuun
kytkintä tms. lukuun ottamatta.
Kytkimen lisäksi yleisiä sähkömekaanisia
komponentteja ovat mm. sulakkeet ja liittimet
Passiiviset komponentit
Passiivisilla komponenteilla ei voida vahvistaa signaalia,
vaan ne päinvastoin aiheuttavat vaimennusta.
Kytkennöissä tarvitaan välttämättä myös passiivisia
komponentteja. Tavallisimpia passiivisia komponentteja
ovat vastukset, kelat ja kondensaattorit.
Sähkömagneettiset komponentit
Sähkömagneettisia komponentteja ovat mm. mikrofonit,
kaiuttimet, muuntajat ja rele. Muuntajan tehtävä on
vaihtojännitteen muuntaminen sopivalle tasolle ja releen
voidaan ajatella olevan sähköllä ohjattava kytkin.
Muuntajia
Releitä
Näyttökomponentit eli optiset komponentit
Näyttökomponentti välittää tietoa valona. Tieto voi olla
merkkilampun On/Off-tyyppistä informaatiota,
taskulaskimen LCD-näytön numeroita tai tietokoneen
näyttö.
Tyypillisiä elektroniikan
näyttökomponentteja ovat ledit ja
niistä rakennetut sovellukset (7seg) sekä LCD-näytöt.
Aktiiviset komponentit
Signaaleja voidaan vahvistaa vain aktiivisilla
komponenteilla. Vahvistuksen vaatima lisäenergia
saadaan teholähteestä. Tärkein aktiivinen komponentti on
transistori.
Tehoelektroniikan komponentit
Elektroniikan avulla ohjattavat signaalit ovat tyypillisesti
pienitehoisia. Suurien tehojen ohjaamiseen käytetään
kuitenkin myös elektroniikkaa.
Tärkeimpiä tehoelektroniikan komponentteja ovat GTOja IGBT-transistorit sekä diacit, triacit ja tyristorit.
Käsitteitä
Erilliskomponentti
Erilliskomponentin (Discrete component) kotelo sisältää vain
yhden komponentin, esimerkiksi transistorin, diodin tai
kondensaattorin.
Mikropiiri, IC-piiri
Mikropiirit (Microcircuits) eli IC-piirit (Integrated circuit) ovat
yhteisen kotelon sisään suljettuja ja yhtenä kokonaisuutena
käsiteltäviä komponentteja. Ne muodostavat toimivan
virtapiirikokonaisuuden, joka sisältää
jopa miljoonia transistoreja, diodeja
vastuksia ynm. komponentteja. IC-piirit
jaetaan analogisiin ja digitaalisiin
mikropiireihin.
Mikropiiri
IC-piirit tehdään piistä (piioksidi, SiO2)
Komponenttien tunnukset
Komponentit merkitään piirikaavioissa seuraavilla IECtunnuksilla. (International Electronical Comission)
Sähkönjohtavuus
Materiaalin sähkönjohtavuuden perusteella aineet voidaan jakaa
johteisiin, puolijohteisiin ja eristeisiin.
Atomitasolla sähkövirran (elektronivirtauksen) aikaansaaminen
aineessa on riippuvainen siinä esiintyvistä vapaista elektroneista,
ts. elektroneista, jotka eivät ole sitoutuneet valenssivyöhön.
Tällaisten elektronien energia on johtavuusvyöllä. Jos
johtavuusvyö liittyy välittömästi valenssivyöhön - kuten
metalleilla - on kyseessä johde. Eristeessä valenssivyön ja
johtavuusvyön välissä on leveä kielletty energia-alue, välivyö.
Sähkönjohtavuus
Sähkönjohtavuus
Atomin ylintä energiatasoa kutsutaan
johtavuusvyöksi, jos se ei ole täysinäinen.
Valenssivyö on atomin täysinäinen
energiataso johtavuusvyön alapuolella.
Materiaalin sähkönjohtavuuskykyyn vaikuttava
atomin valenssivyön ja johtavuusvyön välissä oleva
energiarako. Materiaalin johtavuutta voidaan parantaa
siirtämällä elektroneja valenssivyöltä varauksen
kuljettajaksi johtavuusvyölle. Metalleilla ei tällaista
rakoa ole, sillä niiden johtavuusvyöllä on aina jonkin
verran varauksenkuljettajaelektroneja, joten
metallit johtavat aina sähköä.
Puolijohteilla tämä rako on pieni ja lämpötilan kasvattaminen parantaa materiaalin
johtamiskykyä siirtämällä suurempi määrä elektroneja johtavuusvyölle
varauksenkuljettajiksi. Eristeillä tämä energiarako on niin suuri, että lämmön
nostaminenkaan ei riitä siirtämään elektroneja johtavuusvyölle.
Sähkönjohtavuus
Piiatomi
Puolijohteet
Puolijohteilla kielletty vyö on suhteellisen kapea eli ulkopuolista energiaa ei
tarvita paljoa puolijohteen saamiseksi johtavaksi. Johtavuuselektronien
syntymiseksi tarvittava lisäenergia saadaan esimerkiksi lämpötilaa
kohottamalla. Normaaliolosuhteissa (~300 K) aineeseen on tullut lisäenergiaa
ja johtavuuselektroneja esiintyy.
Tärkeimmät puolijohteet ovat pii (Si), galliumarsenidi (GaAs) ja germanium
(Ge). Näistä pii on elektroniikan eniten käytetty materiaali. Puolijohdepiin
raaka-aineena on kvartsihiekka, joka selittää piin suosiota
puolijohdemateriaalina
Puolijohteet muodostavat kiteitä, joissa atomien välillä on kovalenttinen sidos.
Esimerkiksi piillä on 14 elektronia, joista 4 on valenssielektroneja. Näiden
neljän elektronin avulla piiatomit kiinnittyvät neljään viereiseen piiatomiin
kovalentilla sidoksella. Hyvin matalassa lämpötilassa kaikki elektronit ovat
sitoutuneet rakenteeseen, mutta lämpötilan kohottaminen riittää rikkomaan
osan sidoksista ja vapaita elektroneja pääsee muodostumaan ja siirtymään
johtavuusvyölle.
Puolijohteet
(a) Matalassa lämpötilassa kaikki elektronit pysyvät kovalenttisissa sidoksissa.
(b) Korkeammassa lämpötilassa jotkut elektronit ovat irronneet valenssivöiltä ja
siirtyneet johtavuusvyölle.
Puolijohteet
Normaalilämpötiloissa jotkut elektronit saavat välivyön
ylitykseen tarvittavan energialisäyksen ja siirtyvät
johtavuusvyölle. Tällöin syntyy kahta tyyppiä liikkuvia varauksia:
johtavuuselektroneja ja johtavuusaukkoja. Johtavuusaukolla
tarkoitetaan johtavuuselektronin jättämää tyhjää paikkaa
kovalenttisessa sidoksessa. Tällainen aukko voi siepata
naapuriatomiltaan elektronin, jolloin aukko siirtyy
naapuriatomiin.
Puolijohteessa tapahtuu aukkojen ja elektronien
rekombinaatiota (uudelleen yhtyminen)
Puolijohteet, käsitteitä
Itseispuolijohde
Puhdasta puolijohdetta (jossa ei siis ole muita atomeita) kutsutaan
itseispuolijohteeksi tai intrinsiikkiseksi puolijohteeksi. Näillä ei ole
suurtakaan merkitystä käytäntöä ajatellen. Vasta sopivien seosaineiden
käyttö puhtaan puolijohdemateriaalin joukossa tekee
puolijohdekomponentit mahdollisiksi.
Seostetut eli ekstrinsiittiset puolijohteet
Puolijohdekiteissä varausten kuljettajien, joko elektronien tai
aukkojen, määrää voidaan huomattavasti lisätä sekoittamalla niihin
pieniä määriä sopivia epäpuhtauksia eli seosaineita. Sekoitussuhde
on tyypillisesti 1: 106 - 108 , joten kemiallisesti aine on edelleen
esim. piitä, vain sähköiset ominaisuudet muuttuvat.
n-tyypin puolijohde, Ryhmä V
Yhden ryhmän seosaineista muodostavat ne aineet, joiden
atomirakenteessa on 5 valenssielektronia (esim. fosfori, arseeni ja
antimoni) Asettuessaan kidehilaan niissä on yksi ylimääräinen elektroni.
Tällä ylimääräisellä elektronilla on jo huoneenlämmössä niin suuri energia,
että se asettuu johtavuusvyölle.
Koska epäpuhtauksista saatavat vapaat varaukset, jotka voivat osallistua
sähkövirran syntymiseen, ovat elektroneja, kutsutaan tällaista puolijohdetta
n-tyyppiseksi. Elektronit ovat siis enemmistökantajia ja aukot
vähemmistökantajia.
Aukkoja n-aineessa syntyy piin atomeista lämpötilan aineeseen tuoman
lisäenergian ansiosta, mutta ne rekombinoituvat vastaavasti syntyneiden
elektronien kanssa.
n-tyypin puolijohde, Ryhmä V
n-tyypin puolijohde. Seosaineena fosfori (P).
Kovalenttinen kiderakenne
p-tyypin puolijohde, Ryhmä III
Toisen ryhmän seosaineita muodostavat ne, joiden atomirakenteessa on 3
valenssielektronia (esim. boori, alumiini, gallium ja indium) Kun nämä
asettuvat kidehilaan, jää niiden kohdalle yhden elektronin vajaus, jotta
sidos olisi kovalentti. Vierasaineatomi sieppaa helposti ympäristöstä
elektronin, jolloin syntyy herkästi liikkuva johtavuusaukko.
Koska vapaat varaukset ovat nyt pääosin aukkoja (positiivisia varauksia)
kutsutaan tällaista puolijohdetta p-tyyppiseksi. Nyt ovat aukot
enemmistökantajia ja elektronit vähemmistökantajia.
Elektroneja p-aineessa syntyy piin atomeista lämpötilan aineeseen tuoman
lisäenergian ansiosta, mutta ne rekombinoituvat vastaavasti syntyneiden
aukkojen kanssa.
n-tyypin puolijohde, Ryhmä V
p-tyypin puolijohde. Seosaineena boori (B).
Kovalenttinen kiderakenne
Puolijohteet, käsitteitä
Donoriatomi
Atomi joka luovuttaa vastaanottajalle elektronin. Puolijohdemateriaalien
seostukseen käytetty epäpuhtausatomi, jonka uloimmalla elektronikerroksella
on yksi elektroni enemmän kuin itse puolijohdemateriaalin atomilla
aikaansaaden puolijohdeatomiin varauksen kuljettamiseen pystyvän vapaan
elektronin.
Akseptoriatomi
Atomi joka vastaanottaa luovuttajalta elektronin. Puolijohdemateriaalien
seostukseen käytetty epäpuhtausatomi, jonka uloimmalla elektronikerroksella
on yksi elektroni vähemmän kuin itse puolijohdemateriaalin atomilla
aikaansaaden puolijohdeatomiin varauksen kuljettamiseen pystyvän
elektronivajauksen eli aukon.
pn-liitos
Puolijohdekomponenttien tärkein rakenneosa on pn-liitos. Tämä
saadaan aikaan liittämällä yhteen p-tyyppinen ja n-tyyppinen
puolijohde. Liitoksessa tapahtuu seuraavaa:
Erilliset p ja n tyypin piit, kummassakin
liikkuvia varauksenkuljettajia (p:ssä
aukkoja, n:ssä elektroneja).
Yhteen liitettynä liitoskohdan välittömässä
läheisyydessä olevat varauksenkuljettajat liikkuvat
rajapinnan yli kumoten toisensa (rekombinoituvat).
Siirtyminen tapahtuu koska erimerkkiset varaukset
vetävät toisiaan puoleensa.
Syntyy tyhjennysalue, jossa ei ole
enemmistövarauksenkuljettajia, ainoastaan
lämpötilan aikaansaamia aukkoja ja elektroneja,
jotka rekombinoituvat saman tien.
(Jännitteettömänä alueen leveys on noin 5 µm)
pn-liitos
Olennainen ominaisuus pn-liitoksella on sen tasasuuntaava
vaikutus: Virta pääsee kulkemaan pn-liitoksen yli vain
toiseen suuntaan.
pn-liitos on estosuuntainen kun negatiivinen
jännite on kytketty p-alueelle ja positiivinen nalueelle. Sähkölähteen + navassa on
elektronialijäämä jonka voidaan ajatella
”vetävän” n-aineen elektroneja puoleensa.
Samoin käy myös –navan kanssa. >>>
Tyhjennysalue levenee.
pn-liitos on myötäsuuntainen kun positiivinen
jännite on kytketty p-alueelle, negatiivinen
jännite n-alueelle ja lisäksi jännitteen on oltava
suurempi kuin pn-liitoksen kynnysjännite:
piillä n. 0,7 V, germaniumilla n. 0,3 V
Tyhjennysalue on kapea.
Diodi
Yleisin pn-rajapinnan sovellus on diodi.
Diodi tasasuuntaa eli laskee virtaa lävitseen vain toiseen suuntaa.
Diodin yleisin käyttökohde onkin vaihtosähkön tasasuuntaaminen.
Diodi koostuu p- ja n-materiaaleista, joilla on yhteinen
rajapinta. p-materiaaliin kiinnitettyä elektrodia kutsutaan
anodiksi ja n-materiaaliin kiinnittyä elektrodia katodiksi.
Diodi
Yleistä diodeista...
Diodin ominaisuuksiin kuuluu kynnysjännite UF, jonka suuruus vaihtelee jonkin
verran riippuen diodin puolijohdemateriaalista. Piillä (Si) se on noin 0.6 - 0.7V ja
germaniumilla (Ge) noin 0.2 - 0.3V. Ilman ulkoista jännitettä kynnysjännite estää
kaikkien varauksenkuljettajien liikkumisen rajapinnan yli. Myötävirta IF diodin
läpi alkaa kulkea vasta sitten, kun myötäesijännitteen suuruus ylittää diodin
kynnysjännitteen.
Estosuuntaan kytketty diodi ei läpäise virtaa lukuun ottamatta hyvin pientä termisen
generaation aiheuttamaa estovirtaa IR lukuun ottamatta. Tämän estovirran suuruus on
piidiodilla muutama mikroampeeri ja germaniumdiodillakin alle yhden
milliampeerin. Estosuuntaan kytketty diodi muodostaa kondensaattorin, jonka
kapasitanssi on riippuvainen estosuuntaan kytketyn jännitteen suuruudesta. Tätä
ominaisuutta käytetään hyväksi kapasitanssidiodeissa.
Estosuuntaan kytketyn diodin estovirta on hyvin pieni. Jos estojännitettä UR
suurennetaan liikaa, tapahtuu diodissa läpilyönti ja se tuhoutuu (ja luultavasti jää
oikosulkuun). Myötäsuuntaan kytketyn diodin myötävirta kasvaa
kynnysjännitteen jälkeen nopeasti. Jos myötäjännitettä UF suurennetaan liikaa,
myötävirta kuumentaa diodia ja se tuhoutuu. P=U*I
Diodi tyyppejä
1. Zenerdiodi:
Toiminta on estosuuntainen, toiminta diodin läpilyöntialueella. Zenerdiodit on aina kytkettävä
estosuuntaan, kun halutaan käyttää niiden vakavointiominaisuutta hyväksi. Käytetään
vakiojännitteen muodostamiseen.
2. Kapasitanssidiodi
Toiminta on estosuuntainen. Jännitteellä ohjattu kondensaattori, käytetään suurtaajuuslaitteissa,
esimerkiksi Ula-vastaanottimissa ja televisioissa. Kun suurennetaan diodin estosuuntaista jännitettä
niin diodin kapasitanssi pienenee.
3. Fotodiodi:
Toiminta estosuuntainen, käytetään valon ilmaisimena, infrapuna tai näkyvävalo.Diodin
estoresistanssi on verrannollinen rajapintaan osuvan fotonivuon voimakkuuteen.
4. Led
Toiminta myötäsuuntaan kytkettynä. Säteilee valoa, näkyvävalo tai infrapuna. Valmistetaan
tavallisesti galliumarsenidista (GaAs), galiumfosfidista (GaP) tai näiden yhdistelmistä (GaAsP).
5. Schottkydiodi:
Toiminta myötäsuuntainen. Erittäin nopea toiminta, ideaalisin diodi. Käytetään pienien häviöiden
takia virtalähteissä tasasuuntaajissa ja hakkurivirtalähteissä.
Ideaalidiodi
Päästää myötäsuunnassa virran esteettä lävitseen, ja estää
virran kulun täysin vastakkaisessa eli estosuunnassa.
Myötäsuunnassa ihanteellinen diodi vastaa oikosulkua, ja
estosuunnassa katkosta. Todelliset puolijohdediodit eivät
vastaa täydellistä ihanteellista diodia vaan niissä on
häviöitä (kynnysjännite). Ihanteellisen diodin
ominaiskäyrä seuraa myötäsuunnassa virta-akselia, ja
estosuunnassa jänniteakselia.
Todellisen diodin ominaiskäyrä
Diodin tärkeimmät sähköiset ominaisuudet
UR
jatkuva estojännite
IR
estovirta
IF
jatkuva myötävirta
Ptot
kokonaistehohäviö
Teho Ptot lämmittää
diodia!
Eurooppalainen merkintätapa:
Esimerkiksi BA100 tai BYX30
Ensimmäinen kirjain kertoo komponentin
valmistusmateriaalin ja toinen kirjain
käyttötarkoituksen. Jos merkinnässä on
kolmaskin kirjain, se osoittaa, että komponentti
on tavallista parempilaatuinen eli tarkoitettu
vaativiin käyttöolosuhteisiin. Loppuosa kertoo
osan tyyppimerkinnän. Jos kirjaimia on kaksi,
luku on kolminumeroinen ja jos kirjaimia on
kolme, numeroita on vain kaksi. Numerosarjaa
saattaa seurata vielä kirjain, joka yksilöi saman
komponentin eri versiot.Lopussa saattaa vielä
olla väliviiva ja numeroita, joilla ilmoitetaan
esimerkiksi suurin sallittu estosuuntainen
jännite. esimerkiksi BYX30-200.
Amerikkalainen merkintätapa:
Esimerkiksi 1N4007
Ensimmäinen numero (1) kertoo komponentin jalkojen lukumäärän -1 eli
jos komponentissa on kaksi jalkaa, numero on 1 tai kolmijalkaisessa
vastaavasti 2.
Seuraava merkki (N) kertoo kyseessä olevan juuri amerikkalaisen
merkintätavan ja loppuosa kertoo osan tyyppimerkinnän jonka
perusteella ei voi päätellä juurikaan mitään ilman datakirjaa.
Diodien tyyppimerkintä voidaan merkitä myös värikoodin avulla.
Värit ovat samat kuin vastuksissa. Ensimmäisenä on muita
leveämpi raita, joka samalla ilmoittaa katodin puoleisen pään.
Esimerkiksi diodissa
1N4148 ovat värirenkaat
keltainen-ruskea-keltainenharmaa.
Diodin käyttösovelluksia
Laitteen suojaaminen väärältä syöttöjännitteen
napaisuudelta.
Diodin käyttösovelluksia
Paristovarmennuksen järjestäminen
passiivikomponenteilla verkkokäyttöiselle
laitteelle.
Päättele (tai laske) mikä on jännite vastuksen yli. Diodit
ovat piidiodeja.
Päättele (tai laske) mikä on jännite vastuksen yli. Diodit
ovat piidiodeja.
Piirrä lähtöjännitteen käyrämuoto samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.
a)
b)
c)
Puoliaaltotasasuuntaus
Kuvan kytkentä laskee lävitseen vain syöttöjännitteen positiivisen puolen.
Lähtöjännitteen UL huippuarvo:
UL = US - UTH
US = piirin syöttöjännite
UTH = diodin kynnysjännite (pii 0.6 V ja germanium 0.3 V)
Kokoaaltotasasuuntaus
UL = US - 2UTH
Ledi
Ledin kirkkaus riippuu sen läpi kulkevasta virrasta. Tyypillinen virta on 20-25mA
Ledi
R1
+12V
0V
Etuvastuksen mitoitus:
R
U  U ledi
I ledi
Ledi
Katodi
Anodi
+
-
anodi
katodi
Ledi
Mitoita etuvastus, kun kaikki ledit ovat punaisia.
Ledi1
Ledi2
R1
Ledi3
+12V
oV
Ledi
Yhden ledin läpi kulkema virta on noin 0.02A:a. Kokonaisvirran voimme laskea
Kirchhoffin 1.:n lain avulla:
I  I 1  I 2  I 3  I  0 .02 A  0.02 A  0.02 A  I  0.06 A
Kirchhoffin toisen lain avulla taas laskemme vastuksen yli vaikuttavan jännitteen:
U S  U 1  U 2  12V  U
U
R1
R!
 2V  U
 10V
R1
 12V  2V
Ledi1
Ledi2
R1
Jatkamme tehon kaavalla:
Ledi3
P  U  I  W  10 V  0 . 06 A
 W  0 . 6VA  0 . 6W
Pienimmät vastukset ovat tehonkestoltaan vain 0.25W:a. Tässä
kytkennässä olisi siis valittava vastus, jonka tehonkesto on
vähintään 1W.
+12V
oV
Ledi
Mitoita etuvastus, kun ledit on kytketty sarjaan ja ovat eri värisiä.
R
12 V   3,6 V  2,2 V  1,6 V 
0,02 A
Lähin pienempi vastusarvo on 220W:a. Käytännössä vastusta mitoitettaessa käytetään kynnysjännitettä suurempia
arvoja. Esim. Valkoinen ledi loistaa kunnolla vasta kun sen yli vaikuttava jännite on 4V:a. Sarjavastuksen arvoksi
kannattaisi todennäköisesti valita 180W:n vastus.
Ledi
Mitoita etuvastus, kun ledit on kytketty rinnan ja ovat eri värisiä.
Ledi
Koska ledeillä on eri kynnysjännite, ei niistä pala kuin pienimmän
kynnysjännitteen omaava ledi. Ledejä ei voi kytkeä rinnan tällä
tavalla! Miten kytkentä tulee tehdä?
Ledi
Jokaiselle ledille lasketaan oma etuvastus.
R
U  U ledi
I ledi
Ledin sovellus, 7-segmenttinäyttö
7-seg. on ledeistä muodostettu näyttö. Ledien toiset navat on yhdistetty,
jolloin puhutaan joko yhteisanodi- tai yhteiskatodinäytöstä.
Numero
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
A
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
B
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
C
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
D
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
a
0
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
0
1
0
0
b
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
1
1
c
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
d
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
e
0
1
0
1
1
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
f
0
1
1
1
1
0
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
g
1
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
0
Zener-diodi
Toimii estoalueella ts. alkaa johtamaan myös estosuunnassa,
kun syöttöjännite ylittää ns. ”zener-jännitteen”
Tyypillinen kytkentä on ns. jännitevakavointi. Zener rajoittaa
kuorman yli olevan jännitteen samaksi kuin zenerjännite.
Zeneriä voi käyttää myös normaalina diodina, kunhan muistaa, että
se johtaa myös estosuuntaan tietyn jännitetason jälkeen.
Zener-diodi
Jännitevakavoinnissa zener-diodi tarvitsee aina etuvastuksen,
jolla rajoitetaan piirin virtaa.
Jos yllä olevassa kytkennässä US > UZ > oikosulku!!!
Zener-diodi jännitteen vakavoinnissa
Selvitä käytettävän zenerin:
-max. tehonkesto
-zenerjännite
Tyyppi: BZX284-C5V6
Mitoitusparametrit ovat:
UZ
= 5,6 V
PMAX = 400 mW
If on diodin max. virta myötäsuuntaisessa toiminnassa,
eikä sitä tarvita jännitevakavoinnin mitoituksessa.
Zener-diodi jännitteen vakavoinnissa
Mitoita zenerin etuvastus, kun kuormalle (RL) halutaan 5,6 V. US on 12 V.
Valitaan zeneriksi
BZX284-C5V6
UZ
= 5,6 V
PMAX = 400 mW
PMAX
400 mW
= 71 mA
5,6 V
Tehonkesto määrää maksimi virran:
IzMAX =
Etuvastuksen yli jää jännite:
UR = US – UZ = 12 – 5,6 = 6,4 V
UZ
UR
=
Vastuksen koko:
Vastuksen tehonkeston oltava:
PR = UR * IZMAX =UR2/ R1 = 409 mW (0,5 W)
IZMAX
=
6,4 V
= 90 Ω (100 Ω)
71 mA
R1min =
RL =
RL
UZ
US - UZ
• R1
( URL > UZ )
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
Us
Jännite Us
6
6,1
6,2
6,3
6,4
6,5
6,6
6,7
6,8
6,9
7
7,1
7,2
7,3
7,4
7,5
7,6
7,7
7,8
7,9
8
8,1
8,2
8,3
8,4
8,5
8,6
8,7
8,8
8,9
9
9,1
9,2
9,3
9,4
9,5
9,6
9,7
9,8
9,9
10
RL
71
68
65
63
60
58
56
55
53
51
50
48
47
46
45
43
42
41
40
39
38
38
37
36
35
35
34
33
33
32
31
31
30
30
29
29
28
28
27
27
26
Zenerin merkinnät
Amerikkalainen merkintätapa ei eroa tavallisesta
diodista mitenkään, esim 1N75.
Eurooppalainen merkintätapa alkaa aina kirjaimilla BZ.
Esimerkiksi tunnus BZY-C6V8 tulkitaan seuraavasti:
• puolijohdemateriaali on pii (B)
• zenerdiodi (Z)
• vaativiin käyttöolosuhteisiin (Y)
• numerosarja (88), ei erityismerkitystä
• zenerjännitteen toleranssi ± 5 % (C)
• nimelliszenerjännite on 6,8 V (6V8)
Zenerjännitteen toleranssit
•A=±1%
•B=±2%
•C=±5%
• D = ± 10 %
• E = ± 20 %
Lähde: Volotinen Vesa, Analoginen Elektroniikka,
komponentit ja peruskytkennät. WSOY. 1997. s. 186
Piirrä kuormaan vaikuttavan jännitteen käyrämuoto
samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.
Piirrä kuormaan vaikuttavan jännitteen käyrämuoto
samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.
Piirrä kuormaan vaikuttavan jännitteen käyrämuoto
samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.
Piirrä kuormaan vaikuttavan jännitteen käyrämuoto
samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.
KONDENSAATTORI
-Kondensaattori on komponentti joka
pystyy varastoimaan pieniä määriä
sähköenergiaa
-Kondensaattori muodostuu kahdesta
metallilevystä jotka on eristetty toisistaan.
Eristeenä voi olla ilmaa, muovikalvoa,
eristepaperia tai keraamista materiaalia
-Kondensaattoreita käytetään yleisimmin
käyttöjännitteen suodatukseen, häiriöiden
poistoon ja erilaisiin aikavakiopiireihin.
Kondensaattori
yleensä
Elektrolyytti-
kondensaattori
Tantaalikondensaattori
Säädettävä-
kondensaattori
KONDENSAATTORI
kerko
polko
-Kiinteäarvoiset
kondensaattorit
jakaantuvat eri ryhmiin
valmistustavan ja
eristemateriaalin
mukaan.
-Yleisimmät tyypit:
-Keraaminen kondensaattori ”kerko”
elko
tanko
-Polyesterikondensaattori
”polko”
-Tantaalikondensaattori
”tanko’”
-Elektrolyyttikondensaattori ”elko”
KONDENSAATTORIN RAKENNE
Kondensaattorin periaate
Levyjen välillä on jännite U
jossa
U = jännite [V]
Q = levyjen varaus [As]
s = levyjen välimatka [m]
A = levyjen pinta-ala [m^2]
ε = eristeaineen permitiivisyys [As/Vm=F/m]
Kondensaattorin kapasitanssi
Jokaisella kondensaattorilla on kapasitanssi. Se kuvaa
kondensaattorin varauskykyä.
jossa
C = kapasitanssi [As/V=F]
U = jännite [V]
Q = levyjen varaus [As]
Kapasitanssin yksikkö on faradi, F
Yhdistämällä edelliset kaavat, saadaan kapasitanssille myös kaava:
Permittiivisyys
-Mitä paremmin levyjen välissä oleva eristysaine antaa levyjen
sähkövarausten vaikuttaa toisiinsa, sitä suurempi on kondensaattorin
kapasitanssi
-Aineen permittiivisyysarvo voidaan laskea kaavasta:
ε = εr * ε0
Jossa:
ε
= aineen permittiivisyys
Joitakin εr arvoja
Eriste
εr = aineen suhteellinen permittiivisyys
ε0 = tyhjiön permittivisyys 8,85 * 10-12 F/m
εr
Ilma
1
Kiille
7
Posliini
5-7
Öljytty paperi
3-4,5
PVC-muovi
4-8,5
Kondensaattoreiden merkitseminen
*Ei yhtä selkeä kuin vastuksilla
*Paljon valmistajakohtaisia merkintöjä
Yleisimmät tiedot:
-kapasitanssi
-jännitekestoisuus
-Lämpötila-alue
Lisäksi voi olla:
-eristemateriaali
-eristysresistanssi
-häviökerroin
Kondensaattoreiden merkitseminen
*Värikoodeilla merkityn kondensaattorin kapasitanssi
ilmoitetaan aina pikoFaradeina (pF). Keraamisissa
kondensaattoreissa saattaa olla yksi lämpötilakertoimen
ilmoittava värirengas.
*Jos kondensaattorin johtimet
tulevat ulos kotelon samasta
reunasta, värirenkaiden
lukeminen aloitetaan
vastakkaiselta puolelta. Jos
johtimet ovat eri päissä,
lukeminen aloitetaan siitä
renkaasta, joka on lähempänä
reunaa.
Kondensaattoreiden värikoodit
Kondensaattoreiden kirjainkoodit
Kapasitanssi (numero ja
kirjain)
p33
0.33 pF
3p3
3.3 pF
33p
33 pF
330p
330 pF
n33
0.33 nF
3n3
3.3 nF
33n
33 nF
330n
330 nF
μ33
0.33 μF
Tarkkuus (iso
kirjain) ≤ 10 pF
B
± 0.1 pF
C
± 0.25 pF
D
± 0.5 pF
F
± 1 pF
G
± 2 pF
H
J
K
M
P
R
S
Z
> 10 pF
± 0.5 %
±1%
±2%
± 2.5 %
±5%
± 10 %
± 20 %
+100 / -0 %
+30/ -20 %
+50/ -20 %
+80/ -20 %
Todellisen kondensaattorin rakenne
2
1
1. Polyesterikondensaattori ”polko”
2. Tantaalikondensaattori
”tanko’”
3. Elektrolyyttikondensaattori ”elko”
3
Kondensaattorin kytkeminen virtapiiriin
VAIN Tasajännitteeseen kytkettäviä konkkia:
Tantaalikondensaattori ”tanko’”
Elektrolyyttikondensaattori ”elko”
Vaihto- JA tasajännitteeseen kytkettäviä
konkkia:
Keraaminen kondensaattori ”kerko”
Polyesterikondensaattori ”polko”
Kondensaattorin vaihdettavuus
Elektrolyyttikondensaattorit ovat kapasitanssiltaan keraamisia
kondensaattoreita suurempia. Elektrolyyttikondensaattoreita käytetään
suodattamaan tasajännitteestä matalataajuisia häiriöitä ja jännitevaihteluita.
Elektrolyyttikondensaattori täytyy kytkeä jännitteeseen oikeinpäin. Väärin
kytketty elektrolyyttikondensaattori voi jopa räjähtää. Kondensaattoreilla
on aina myös maksimikäyttöjännite jota ei saa ylittää.
Kondensaattoreiden ”hyvyys”:
Tyhjiökondensaattori
Ilmaeristeinen
Kapasitanssi kasvaa
kokoon nähden
Keraaminen
Muovi
Tantaali
Elektrolyytti
Listassa alemman voi korvata
ylemmällä jännitekestoisuus
huomioon ottaen (ja napaisuus
tankolla ja elkolla)
Säädettävä kondensaattori
*Tyypillinen käyttö RF-piirien virittämiseen
RC-piiri
Kun syöttöjännite U kytketään kondensaattorin napoihin, ei jännite
Uc nouse heti samaan arvoon kuin syöttöjännite U. Mitä suurempi
ladattava kapasitanssi C ja sarjavastuksen resistanssi RC, sen
hitaammin Uc kohoaa.
Kytkennällä on
aikavakio τ
τ = RC * C
[s]
”Yhden aikavakion kuluessa kondensaattorin jännite on
noussut arvoon, joka on 63 % syöttöjännitteestä U”
RC-piiri
Vastus RC jonka resistanssi on 10 kΩ ja kondensaattori, jonka
kapasitanssi on 500 μF muodostavat sarjakytkennässä RC-piirin,
jonka aikavakio on:
[ A]
[F = AsV ]
Ω=
τ = RC * C = 10000 Ω * 500*10-6 F = 0,5 s
V
As
•
V
A
]
[
V
Kondensaattoriin latautuva jännite noudattaa kaavaa:
Jossa:
Uc = U * (1-e)
t
τ
UC = kondensaattoriin latautunut jännite [V]
U = RC-piiriä syöttävä jännite [V]
e = Neperin luku ≈ 2,718282
τ = aikavakio RC [s]
t = lataukseen kulunut aika [s]
Kondensaattorin latautumiskäyrä RC-piirissä
τ = 0,5 s
Aika [s]
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Uc
6,321
8,647
9,502
9,817
9,933
9,975
9,991
9,997
Kondensaattorin lataaminen
Kondensaattorin purkaminen
τ = RL * C