Napięcie, potencjał i masa (GND) :: Impedancja :: Równoważność gwiazda-trójkąt :: Dzielnik napięcia i prądu :: Obwody prądu zmiennego :: Metoda superpozycji :: Zasada Thevenena i Zasada Nortona :: Rezystancja wejściowa/wyjściowa układu :: Elementy bierne :: Diody :: Tranzystor :: JFET (FET) :: MOSFET (MOS) :: Klucz :: Tyrystor, triak :: Inne elementy (analogowe), symbole :: Radiatory :: Warte uwagi układy scalone :: Linki

Podstawy elektroniki

Elektronika zajmuje się wytwarzaniem i przetwarzaniem sygnałów w postaci prądów i napięć elektrycznych. Zjawisko prądu związane jest z przepływem ładunku (z uporządkowanym ruchem nośników ładunku), aby wystąpiło konieczna jest różnica potencjałów (napięcie U) pomiędzy końcami przewodnika, prowadzi ono do neutralizacji tej różnicy. Dlatego dla podtrzymania stałej różnicy potencjałów konieczne jest istnienie źródeł prądu, prowadzących do rozdzielania ładunków dodatnich od ujemnych. Wyróżnić można dwa idealne rodzaje źródeł energii elektrycznej:

Podstawowymi prawami, z których korzysta się w elektronice są prawa Kirchhoffa:

Oprócz nich mamy też prawo Ohma, które jest stosowane dla elementów o charakterystyce liniowej - spadek napięcia to prąd płynący przez dany element razy charakterystyczny dla niego stały opór (stałość oporu nie jest prawdą dla wielu elementów półprzewodnikowych, a nawet żarówek). Mamy też prawa szeregowego (opór całości jest suma oporów) i równoległego (opór całości jest odwrotnością sumy odwrotności oporów) łączenia oporów.

Napięcie, potencjał i masa (GND)

Mówiąc o napięciach (zwłaszcza stałych) często mamy tak naprawdę na myśli potencjały (np. oznaczenia na schematach +5V). Zawsze należy pamiętać względem czego !!! (w związku z swobodą doboru stałych całkowania do wszystkich potencjałów możemy dodać dowolna wartość i fizyka się nie zmienia, różnica potencjałów jest na to odporna). Dlatego też w elektronice dość często stosuje się pojęcie wspólnej masy - GND (często nawet nie rysowanej na schematach), będącej potencjałem odniesienia.

W sporej liczbie układów elektrycznych potencjał GND równy jest potencjałowi ziemi (np. instalacja elektryczna TN, gdzie w jednej z dziurek mamy stały potencjał 0 (ziemia), a w drugiej potencjał zmienny). Zagadnienie wspólnej masy ma też kluczowe znaczenie przy łączeniu urządzeń elektronicznych - kablami sygnałowymi nie powinien płynąć prąd związany z różnica potencjałów mas (jednak często ona występuje i dlatego np. w wtyku LPT koło 1/4 pinów to masa).

W tym miejscu należy także wspomnieć o (idealnych) źródłach prądowych i napięciowych: Na idealnym źródle prądowym może odłożyć się dowolne napięcie i zawsze płynie przez nie prąd ustalony przez wartość tego źródła. Przez idealne źródło napięcia można przepuścić dowolny prąd i zawsze napięcie pomiędzy jego zaciskami pozostaje stałe i określone wartością źródła.

Impedancja

Impedancja jest to "uogólnienie" pojęcia oporu dla obwodów prądu zmiennego. Obowiązują dla niej takie same zasady przy łączeniu elementów obwodu - gdy szeregowo to dodajemy impedancje gdy równolegle to odwrotność impedancji wypadkowej jest sumą odwrotności impedancji składowych. Przy skorzystaniu z tej wartości prawdziwe jest dla nich prawo Ohma: u(t) = i(t) Z. Część rzeczywistą impedancji nazywamy rezystancją, a część zespoloną reaktancją. Stosunek reaktancji do rezystancji jest równy tangensowi kąta przesunięcia fazowego.

opór: Z = R
pojemność: $$Z=\frac{1}{j \omega C}$$ (dla prądu stałego jest to przerwa w obwodzie: $$Z = \infty$$)
indukcyjność: $$Z=j \omega L$$ (dla pradu stałego jest to zwarcie: Z = 0)
gdzie: $$j=\sqrt{-1}$$, a $$\omega = 2 \pi f$$ to częstotliwość kołowa (pulsacja)

Należy pamiętać iż rzeczywiste elementy posiadają wielkości pasożytnicze (a więc są impedancjami złożonymi), które w pewnych okolicznościach mogą mieć znaczenie.

Równoważność gwiazda-trójkąt

Każdy obwód typu trójkąt (trzy punkty - A, B, C połączone rezystorami AB, BC, CA) może zostać zamieniony na układ gwiazdy (czery punkty - x, a, b, c połączone rezystorami xa, xb, xc) i na odwrót. Aby obliczyć rezystancje odpowiadającejn konfiguracji zapisujemy uklad równań wyrażających równość rezystancji pomiędzy AB i ab, AC i ac, BC i bc. Równania te mają postać: Rxa + Rxb = (Rab * (Rbc + Rca)) / (Rab + Rbc + Rca). Należy pamiętać że w trójkącie jest to równoległe połączenie Rab z sumą Rbc + Rca.

Dzielnik napięcia i prądu

Dzielnik napięcia uzyskujemy łącząc szeregowo źródło prądowe wraz z dwoma opornikami. Poprzez dobór wartości oporników możemy uzyskać na wyjściu (węźle łączącym ze sobą oporniki) dowolną wartość napięcia (oczywiście mniejszą od napięcia wejściowego). Napięcie na wyjściu takiego dzielnika (rezystorze R2) wynosi $$U_{wy}=U_{we}\frac{R_2}{R_1 + R_2}$$. Rezystancja zastępcza takiego dzielnika wynosi $$R_z = R_1 || R_2 = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}$$. Mianem sztywnego dzielnika określa się taki dzielnik który charakteryzuje się odpowiednio małymi zmianami napięcia przy zmianach prądu co jest równoważne temu aby prąd płynący w dzielniku był 5 do 10 razy większy niż prąd z niego odbierany.

Wygodną metodą doboru wartości rezystancji celem uzyskania sztywnego dzielnika jest przyjęcie porządnej tolerancji napięcia Utolmax(dla założonego maksymalnego prądu odbieranego Iodbmax). Następnie zapisujemy warunek $$R_z \leq \frac{U_{tol_{max}}}{I_{odb_{max}}}$$, a jako że $$R_z < \min(R_1, R_2)$$ to poprzedni warunek określa nam wartość mniejszego z oporów w dzielniku. Wartość drugiego oporu możemy uzyskać z zależności $$R_1 = \frac{U_{tol_{max}}}{I_{odb_{max}}} \cdot \frac{U_{we}-U_{wy}}{U_{wy}}$$ (gdy $$U_{wy} < U_{we} /2$$) lub $$R_2 = \frac{U_{tol_{max}}}{I_{odb_{max}}} \cdot \frac{U_wy}{U_{we}-U_{wy}}$$ (w przeciwnym wypadku).

Dzielnik prądu uzyskujemy poprzesz równoległe połączenie źródła prądowego z dwoma opornikami.

Obwody prądu zmiennego

Celem łatwiejszego obliczania obwodów prądu zmiennego możemy rozdzielać je na część dla prądu stałego (DC) i zmiennego (AC). Dla prądu stałego: źródło napięcia zmiennego i cewka jest zwarciem, kondensator jest przerwą w obwodzie. Dla prądu zmiennego: źródło napięcia stałego jest zwarciem, źródło prądu stałego jest rozwarciem, kondensator (jeżeli ma bardzo dużą / "nieskończoną" pojemność) jest zwarciem. Należy szczególną uwagę zwrócić na powstające po zastosowaniu takich trików łączenia elementów - często łączenia wyglądające na szeregowe są łączeniami równoległymi. Należy także pamiętać o powstającej "drugiej gałęzi" prowadzącej również do masy.

Stałą czasową $$\tau = RC$$ wyznacza pojemność kondensatora i jego oporowe otoczenie (rezystory które "widzi" kondensator i to w jaki sposób je "widzi" - w szczególności rezystory położone po obu stronach kondensatora mogą być połączone szeregowo poprzez masę). $$1/\tau$$ odpowiada dolnej lub górnej (zależnie od układu) częstotliwości granicznej filtra górno lub dolno przepustowego. Należy mieć świadomość że dla prądu stałego każdy (sprawny) kondensator zachowuje się jak rozwarcie oraz że dla odpowiednio dużych częstości (zależnych od pojemności kondensatora - im większa tym niższe te częstotliwości) kondensator przewodzi prąd zmienny praktycznie bez strat.

Zobacz w Sieci: Teoria obwodów Teoria obwodów (en), Metody analizy obwodów liniowych (Teoria obwodów) - dr inż. Wojciech Mellerkopia lokalna.

Metoda superpozycji

Pozwala ona na rozdzielenie obwodu zawierającego kilka źródeł prądu i napięcia. Obwod rozkładamy na tyle przypadków ile mamy źródeł niezależnych, w każdym z nich pozostawiamy tylko jedno (inne) źródło niezależne. Pozostałe źródła zastępujemy zwarciem (źródła napięciowe) albo rozwarciem - źródła prądowe (z punktu widzenia źródła prądowego źródło napięcia jest zwarciem - punkt potencjału V jest równoprawny punktowi potencjału masy). W każdym obwodzie znajdujemy składową (pochodzącą od niepominiętego źródła) szukanego prądu lub napięcia. Należy też zwrócić uwagę na kierunki napięć (ich znak) - prąd wypływający z rezystancji oznacza ujemne napięcie na tejże. Całkowity szukany prąd lub napięcie jest sumą składowych.

Zasada Thevenena i Zasada Nortona

Pierwsza z nich mówi iż dowolny układ źródeł i oporów liniowych może być zastąpiony pojedyńczym idealnym źródełm napięciowym (o napięciu równym napięciu na zastępowanym układzie gdy jest rozwarty - nie wpływa, ani nie wypływa z niego prąd) połączonym szeregowo z rezystancją zastepczą (obliczną po zastąpieniu wszystkich źródeł napięciowych zwarciami, a prądowych rozwarciami). Druga mówi o możliwości zastapienia takiego układu idealnym źródłem prądowym (o wartości prądu obliczanej przy zwartych zasiskach zastępowanego układu) z dołączoną równolegle rezystancją (obliczaną tak jak w poprzednim przypadku).

Rezystancja wejściowa/wyjściowa układu

Jest to wartość niezależna od prądu wejściowego (prądu pobieranego zawsze przez dany układ) i zdefiniować możemy ją jako iloczyn przyrostu napięcia do przyrostu prądu.

Elementy bierne

Opornik - wprowadza do obwodu dodatkowy opór R (równy swojej rezystancji), powodując powstanie napięcia na jego końcach równego I*R. Obok rezystancji istotnym parametrem jest maxymalna moc jaką możemy wydzielić na pojedyńczym elemencie.

Kondensator - gromadzi ładunek elektryczny (magazynuje energię w polu elektrycznym) i może go oddawać do obwodu. Można powiedzieć że kondensator magazynuje napięcie, czas potrzebny do zmiany napięcia na kondesatorze dany jest zależnością: $$\Delta T={C \cdot \Delta U \over I}$$. Podstawowym parametrem jest pojemność i maksymalne napięcie, które możemy na nim odłożyć. Oprócz tego w pewnych wypadkach należy zwrócić uwagę na parametry takie jak maksymalny prąd przewodzenia (kondensator przewodzi prądy zmienne!), impedację (ESR), liniowość zastosowanego dielektryka, itp.

Cewka - magazynuje energię w polu magnetycznym (gromadzi prąd). Po odłączeniu zasilania chce ona wyrzucić z siebie prąd (a nie tak jak kondensator ma po prostu na sobie jakiś ładunek), dlatego należy uważać na przebicia w układach kluczujących cewkę. Czas potrzebny zmianę zmagazynowanego w cewce prądu dany jest zależnością: $$\Delta T={L \cdot \Delta I \over U}$$. Wyróżnia się przede wszystkim cewki: powietrzne, na rdzeniu żelaznym i na rdzeniu ferrytowym. Ferryt bardzo silnie zwiększa indukcyjność cewki, ale ogranicza od góry częstotliwość pracy cewki. Ponadto przy odpowiednio dużym prądzie może dochodzić do nasycenia rdzenia, które objawia się tym że zaczyna in hamować wzrost pola zamiast go poprawiać.

Przełącznik/styk - element służący do załączania lub odłączania prądu. Powszechnie spotyka się styki chwilowe (monostabilne ) zwierne (normalnie rozwarte) lub rozwierne (normalnie zwarte) oraz styki bistabilne (w których obie pozycje są trwałe). Ponadto rozróżnia się włączniki/wyłączniki (mają dwa wyprowadzenia i styk łączący/rozłączający je) oraz przełączniki (mają 3 lub więcej wyprowadzeń i styk przełączający przepływ pomiędzy jednym z wyprowadzeń a pozostałymi). Stan zwarcia określa się często mianem "zamknięty" (ang. "close"), a rozwarcia mianem "otwarty" ("open"). Należy (zwłaszcza w systemach cyfrowych) pamiętać że przełączniki potrafią drgać - na ogół zamiast pojedynczego impulsu generują całą serię. Zobacz w Sieci: zjawiska stykowe, gaszenie łuku (en), ochrona styków (en)gasik (en).

Diody

Dioda jest elementem o nieliniowym oporze elektrycznym, zasadniczo przepuszczającym prąd tylko w jedną stronę. Wyróżnia się m.in. diody:

Podstawowymi parametrami diód jest maksymalne napięcie wsteczne (określa przy jakim napięciu przyłożonym w kierunku zaporowym może nastąpić przebicie) oraz prąd przewodzenia (maksymalny prąd jaki możemy przepuścić przez element, aby go nie zniszczyć). Jest również charakterystyczne dla materiału napięcie przewodzenia określające spadek napięcia na elemencie (dla krzemu 0,5 do 0,8 V).

Dioda półprzewodnikowa to w istocie pojedyńcze złącze p-n. Niespolaryzowane złącze odpowiada sytuacji pokazanej na poniższym rysunku (kolor zielony). W takim wypadku prąd rekombinacji równoważony jest poprzez prąd generacji.

POWIĘKSZpodstawowe układy polaryzacji tranzystora bipolarnego

Polaryzacja w kierunku przewodzenia (gdy UP > UN) powoduje obniżenie bariery potencjału (dokładniej to obu barier - pokazanej na rysunku bariery dla elektronów oraz analogicznej bariery dla dziur). Efektem tego jest wzrost prądu rekombinacji, co przy niezmienionym prądzie generacji (zależy on od złącza a nie od bariery potencjału), prowadzi do powstania wypadkowego prądu płynącego przez złącze.

Typową eksponencjalną charakterystykę I_F(U_F) złącza PN można przedstawić wzorem $$I_F = I_S \exp(U_F/\varphi_{_T} -1)$$, gzie $$\varphi_{_T} = kT/e$$ i typowo wynosi około 25mV, natomiast IS zależne jest od typu złącza i konkretnego egzemplarza. Dziki temu możemy zapisać rezystancję dynamiczną diody (związaną z spadkiem napięcia na przewodzącym złączu) jako $$r_D = \varphi_{_T}/I_{FQ}$$. Tą cechę diody można wykorzystać np. do stworzenia regulowanego dzielnika (regulowane źródło prądu DC + dioda) będącego w stanie zmniejszać amplitudę sygnałów dużej częstości (gdzie nie możemy zastosować potencjometru, gdyż za bardzo zagłuszyłby sygnał).

Tranzystor

tranzystor - jest to element o regulowanym elektronicznie oporze (tak na prawdę regulowany jest przepływający prąd), często wykorzystywany do wzmacniania sygnałów lub jako przełącznik elektroniczny.

Tranzystor bipolarny posiada trzy wyprowadzenia - emiter (E), baza (B), kolektor (C), przepływający przez niego prąd reguluje się poprzez przyłożenie napięcia między bazą a emiterem. W tranzystorach PNP prąd płynie od emitera (o wyższym potencjale) do kolektora, w NPN na odwrót. Należy też pamiętać że tranzystor bipolarny to nie bramka logiczna czy coś w tym stylu - jeżeli przyłożymy napięcie w kierunku przewodzenia do bramki to prąd popłynie nawet gdy nie ma przyłożonego napięcia kolektor - emiter (bramka nie jest izolowana).

Przy wzmacnianiu sygnałów tranzystor pracuje w stanie aktywnym czyli napięcie przyłożone do bazy jest pomiędzy napięciem kolektora a emitera. W przypadku wykorzystywania jako przełącznik tranzystor pracuje w stanach zatkania (nie przewodzi) lub nasycenia (nie ogranicza). Poniższa ilustracja przedstawia podstawową polaryzację tranzystora.

POWIĘKSZtranzystory NPN i PNP spolaryzowane w kierunku przewodzenia

Strzałka w symbolu tranzystora (umieszczana na emiterze) pokazuje kierunek przepływu prądu przez emiter. Pokazuje ona kierunek przepływu prądu przez złącz P-N (diodę) baza-emiter, zatem wskazuje także kierunek prądu bazy.

W stanie aktywnym prąd kolektora jest regulowany poprzez napięcie baza-emiter. Zatem na tranzystor możemy patrzeć jak na diodę w której rozdzieliliśmy styk odpowiedzialny za przyłożone napięcie od styku którym płynie prąd - tak jak w diodzie prąd zależy wykładniczo od przyłożonego napięcia, tyle że napięcie przykładamy pomiędzy E i B, a prąd płynie głównie pomiędzy E i C (jest także przepływ pomiędzy B i E związany z rekombinacją elektronów w bazie i wstrzykiwaniem ładunków baza-emiter - ze względu na różnice w domieszkowaniu słabszym niż wstrzykiwanie emiter-baza). Zatem prąd płynący przez tranzystor (prąd kolektora) zależy tylko od napięcia diody baza-emiter.

Ciekawym przypadkiem jest wymuszone IC = 0 (gdy kontakt kolektora pozostaje niepodłączony) - wtedy prąd bazy musi wzrosnąć do takiej wartości aby zrównoważyć prąd emitera (on nie ulega zmianie gdyż zależy tylko od napięcia baza-emiter), natomiast na złączu kolektorowym będzie 0.5V (trochę mniej niż spadek na diodzie gdyż kolektor jest słabo domieszkowany).

Możliwe jest także sterowanie tranzystora prądem bazy, a nie napięciem BE. W takim wypadku napięcie pomiędzy bazą a emiterem wynosi około 0.6V - 0.7V (warto pamiętać o tym napięciu przy obliczaniu rezystancji wymaganej aby uzyskać pożądany prąd bazy). W wypadku tym do bazy wprowadzamy dodatkowe ładunki (w NPN są to dziury), co owocuje wciąganiem w ten obszar ładunków przeciwnych z emitera. Większość z nich jednak nie zdąży zrekombinować w bazie (jest ona cienka) tylko przeleci do kolektora, którego prąd dany jest zależnością: $$I_C = \beta I_B$$, gdzie $$\beta$$ to wzmocnienie tranzystora. Zatem tranzystor zachowuje się jak (regulowane prądem) źródło prądowe. W obwodzie kolektora wprowadza się zazwyczaj rezystor (Rc) mający na celu zamianę sygnału prądowego uzyskiwanego dzięki tranzystorowi na napięcie, z którego jest łatwiej korzystać niż z prądu.

POWIĘKSZpodstawowe układy polaryzacji tranzystora bipolarnego

Ze względu na znaczny rozrzut wartości $$\beta$$ pomiędzy egzemplarzami układ taki jest trudny do praktycznego stosowania (rezystor ustalający prąd bazy należałoby dobierać do konkretnego tranzystora / stosować rezystor regulowany i go dostrajać), dlatego najczęściej stosowany jest "układ z stałym potencjałem bazy". W układzie takim do bazy podłączamy pewien ustalony potencjał (na tle wysoki aby nieznajomość spadku na złączu PN - czy to jest 0.6V czy 0.7V itp - była pomijalna), a poprzez zastosowanie opornika emiterowego (Re) ustalamy prąd emitera. Na jego wartość nie ma wpływu to co dzieje się w kolektorze, gdyż zależy on tylko od napięcia baza-emiter (w przypadku niepodłączonego kolektora całość prądu emitera płynie przez bazę, w przeciwnym razie przez bazę płynie $$I_B = \frac{I_E}{\beta + 1}$$). Dzięki takiemu zabiegowi (ustaleniu prądu emitera) udało się bardzo skutecznie zminimalizować wpływ wartości $$\beta$$ na prąd kolektora gdyż $$I_C = I_E - I_B = I_E \frac{\beta}{\beta+1}$$, a jako że $$\beta \gg 1$$ to $$I_C \approx I_E$$.

W układzie z stałym potencjałem bazy jeżeli spadek na rezystancji wewnętrznej źródła, którym jest dzielnik R1 R2, jest istotny (w porównaniu z nieznajomością spadku napięcia na złączu baza-emiter) należy uwzględniać tą rezystancję w obliczaniu prądu emitera: $$E_z - I_E\frac{1}{\beta + 1}R_z - U_{BEP} - I_ER_E = 0$$. Warto wspomnieć iż za polaryzację bazy może być odpowiedzialne inne źródło napięcia niż klasyczny dzielnik (np. dzielnik z diodą Zenera). Zobacz w Sieci: Jak Działa Tranzystor Bipolarny, Obliczanie I Ustalanie Punktu Pracy.

Stan nasycenia polega na polaryzacji obu złącz w stanie przewodzenia (na typie P napięcie wyższe o około 0.6V niż na typie N). Na tranzystorze w stanie nasycenia występuje spadek napięcia $$U_{CE} = U_{BE} - U_{BC} \approx 0.7 - 0.5 = 0.2\rm{V}$$. Jeżeli spadek ten może być przeszkodą należy rozważyć zastosowanie trybu nasyconego inwersyjnego zamieniony kolektor z emiterem), gdzie on jest dużo bardziej bliski zeru. Tranzystor wchodzi w ten stan gdy VE < VB > VC (NPN) lub VE > VB < VC (PNP). W przypadku regulacji prądem bazy ma to miejsce gdy $$I_C = \beta I_B > I_{C_{max\ ukl}}$$ (czyli gdy spadek na obciążeniu wynikły z obliczonego prądu kolektora spowodowałby odłożenie na nim napięcia większego niż napięcie zasilania). Tranzystor w stan nasycenia wprowadzać należy z (dwu - trzy krotnym) zapasem prądu nasycającego, czyli $$R_B << {U_{Ster}-U_{BE} \over I_B}$$.

Stan zatkania polega na zaporowej polaryzacji obu złącz czyli $$V_E \geq V_B \leq V_C$$ (NPN) lub $$V_E \leq V_B \geq V_C$$ (PNP). W tym wypadku należy szczególnie zwrócić uwagę na (niewielkie) napięcia przebicia spolaryzowanego zaporowo złącza baza-emiter).

POWIĘKSZstany nasycenia i zatkania

Nasycenie NPN gdy: IC > Vcc / RLmin, gdzie $$I_C = \beta_{min} I_B$$, a $$I_B = \frac{V_{ster} - 0.7V}{R_B}$$ zatem otrzymaliśmy warunek na rezystor bazy: $$R_B < \beta_{min} (V_{ster} - 0.7V) \frac{R_{L_{min}}}{V_{cc}}$$. Dla PNP rozumujemy analogicznie, tyle że prąd bazy zależy od napięcia zasilania a nie sterowania, czyli: $$R_B < \beta_{min} (V_{cc} - 0.7V) \frac{R_{L_{min}}}{V_{cc}}$$. Warto zauważyć, że $$\frac{R_{L_{min}}}{V_{cc}} = 1/I_{C_{max\ ukl}}$$.

JFET (FET)

Tranzystor unipolarny (polowy) posiada trzy wyprowadzenia - dren (D), bramka (G), źródło (S), regulacja odbywa się poprzez regulację napięcia między źródłem a bramką. W tranzystorach tych sterowanie odbywa się polem elektrycznym (z tąd nazwa polowy), a prąd bramki (gdy tranzystor jest dobrze spolaryzowany) jest pomijalnie mały. Dzięki temu mogą służyć do uzyskania wejścia o dużej rezystancji wejściowej.

Dostępne na rynku tranzystory JFET z kanałem N steruje się poprzez ujemną polaryzację bramki wobec źródła. W przypadku gdy potencjał bramki jest odpowiednio ujemny (mniejszy od charakterystycznego - w zasadzie dla danego egzemplarza - napięcia "odcięcia" UGS_off = UT) tranzystor nie przewodzi (prąd DS pomijalne mały). W przeciwnym wypadku w zależności od przyłożonego napięcia DS tranzystor ten zachowuje się jak regulowane źródło prądowe (gdy to napięcie większe od różnicy pomiędzy obecnym napięciem GS a napięciem odcięcia) lub regulowany rezystor (gdy mniejsze). Maksymalny dla danego napięcia prąd (oznaczany IDSS) płynie gdy napięcie pomiędzy bramką a źródłem jest równe zero (w zasadzie troszkę większe od zera, ale tak aby nie spolaryzować złącza w stan przewodzenia).
Niestety tranzystory te cechują się dużym rozrzutem kluczowych parametrów (napięcie GS przy którym następuje zatkanie oraz maksymalny prąd przewodzenia) pomiędzy egzemplarzami. Najprostszym przykładem zastosowania jest źródło prądowe utworzone poprzez podłączenie bramki do masy oraz źródła poprzez (regulowany) opornik do masy. Tranzystor ten w stanie z otwartym złączem kanał-bramka może być wykorzystany jako dioda mało upływowa.

$$I_D = \begin{cases}
  0,                                                 & U_{GS} < U_T \\
  \beta \cdot (U_{GS}-U_T)^2,                        & U_{GS} \geq U_T \wedge U_{DS} > U_{GS} - U_T\\
  \beta \cdot U_{GS} \cdot [2(U_{GS}-U_T) - U_{DS}], & U_{GS} \geq U_T \wedge U_{DS} \leq  U_{GS} - U_T \wedge U_{DS} \geq 0
\end{cases} \rm{,}$$ gdzie $$\beta = {I_{DSS} \over {U_T}^2}$$

Tranzystory J-FET cechują się symetrią pomiędzy źródłem a drenem, ale przy projektowaniu układów z nimi warto wiedzieć którą elektrodę traktujemy w jaki sposób. Tranzystory J-FET zazwyczaj polaryzuje się poprzez połączenie przez duży opór (RB rzędu giga omów) bramki do masy, co wraz z małym prądem bramki zapewnia na niej potencjał 0V. Jako że J-FET przy UGS = 0 przewodzi (i to maksymalny prąd) to taka polaryzacja powoduje przepływ prądu DS co w związku z oporem RS pomiędzy źródłem a masą prowadzi do podniesienia potencjału na źródle czyli pojawienia się ujemnego napięcia UGS = URS i ograniczenia prądu.

POWIĘKSZukład polaryzacji tranzystora j-fet z kanałem N

Jako że występują dwa tryby pracy JFETów to przy wykonywaniu obliczeń konieczna jest identyfikacja z którym trybem pracy mamy doczynienia. Możemy wykonać to orientacyjnie na podstawie porównania wartości RD i RS - gdy RD >> R0 to możemy podejrzewać obszar triodowy / nienasycenia ( $$I_D = \beta \cdot U_{GS} \cdot [2(U_{GS}-U_T) - U_{DS}]$$), gdzie tranzystor zachowuje się jak opornik regulowany. Jeżeli jednak nie zgodzą nam się znaki napięć musimy policzyć dla obszaru pentodowego / nasycenia ( $$I_D = \beta \cdot (U_{GS}-U_T)^2$$). Warto także pamiętać że $$I_D = {|U_{GS}| \over R_S}$$

MOSFET (MOS)

Ważną grupą tranzystorów polowych są tranzystory z izolowaną bramką (IGFET). Najczęściej wytwarzane są one w technice MOSFET. Tranzystory te stanowią podstawę układów scalonych wykonywanych w technologi CMOS. Dzięki izolowanej bramce tranzystory te regulowane są jeszcze bardziej napięciem a nie prądem (tu warto wspomnieć o pewnej ciekawostce - gdy elektrodę bramki wprowadzimy w stan NC (niepodłączona) tranzystor utrzymuje (przez dość długi czas) stan poprzedni). W wnętrzach układów scalonych spotyka się tranzystory z wieloma bramkami, jak również wyprowadzoną niezależnie elektrodą podłoża (normalnie zwarta do źródła).

Tranzystor z kanałem typu P ma regulowane przewodzenie w kierunku od źródła do drenu (w drugą stronę zawsze przewodzi), wprowadzenie w stan przewodzenia odbywa się poprzez podanie na bramkę napięcia mniejszego od napięcia źródła. Tranzystor z kanałem typu N ma regulowane przewodzenie w kierunku od drenu do źródła (w drugą stronę zawsze przewodzi), wprowadzenie w stan przewodzenia odbywa się poprzez podanie na bramkę napięcia większego od napięcia źródła.

symbole tranzystorów MOSFET
(zaznaczona na czerwono dioda niekiedy jest pomijana w oznaczeniach)

Warto wspomnieć iż występują także tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT), są one powszechnie stosowane w urządzeniach elektroenergetycznych do przełączania znacznych prądów. Na tranzystor taki możemy patrzeć jak na sterowany za pośrednictwem MOSFETa tranzystor bipolarny.

Klucz

Tradycyjny klucz na tranzystorze NPN jest bardzo dobrym rozwiązaniem gdy zadowala nas odłączanie od zasilanego obwodu potencjału niższego (masy). W przeciwnym razie powinniśmy użyć klucza PNP jednak on wymaga aby napięcie sterowania osiągało co najmniej wartość napięcia zasilania, co także często jest niezadowalające. Rozwiązaniem takiego problemu wydaje się zastosowanie układu złożonego z tranzystora PNP i tranzystora P-MOSFET, gdzie MOSFET jest sterowany z klucza NPN. Dodatkowo dzięki takiemu rozwiązaniu (przy zastosowaniu odpowiedniego MOSFETa) uzyskujemy praktycznie pomijalny spadek napięcia na takim kluczu (znacznie mniejszy niż umowne 0.2V przy tranzystorach bipolarnych).

POWIĘKSZschemat ideowy klucza z MOSFETem sterowanym z NPN

Tyrystor, triak

tyrystor - jest to element o regulowanym elektrycznie stanie przewodzenia, przewodzić on może od anody do katody (tylko w tą stronę), pod warunkiem że zostanie wyzwolony impulsem bramki (dodatnie napięcie względem katody) bądź wzrostem napięcia przyłożonego. W odróżnieniu od tranzystora tyrystor przewodzi również po zaniku napięcia przyłożonego do bramki (przerywa dopiero gdy zostanie przerwane przewodzenie). Triak jest w zasadzie dwukierunkową wersją tyrystora odpowiadającą funkcjonalnie połączonym antyrównolegle dwóm tyrystorm. W zrozumieniu jak to działa przydany może być schemat zastępczy tyrystora na tranzystorach bipolarnych:

symbol tyrystora; grafika nie objęta prawami autorskimi - public domain z zasobów Wikipedii PL   struktura warstwowa i schemat zastępczy tyrystora; grafika nie objęta prawami autorskimi - public domain z zasobów Wikipedii PL

Inne elementy (analogowe), symbole

Oprócz omówionych mamy jeszcze wiele innych elementów półprzewodnikowych w tym układów scalonych. Wspomnę może tutaj o jednym z nich - NE555 jest to bardzo popularny układ czasowy służący do generacji drgań i wytwarzania impulsów. Dokumentacje do różnych układów elektronicznych (tzw. datasheet) można znaleźć na stronie producenta układu lub na stronach poświęconym notom katalogowym układów elektronicznych, takich jak EleNota.

Każdy element ma swój symbol graficzny (a nawet kilka ...). Poniżej zamieszczam obrazek (PNG) prezentujący najpopularniejsze symbole podstawowych elementów elektronicznych (symbole1.sch).

popularne symbole elektroniczne

Radiatory

Często elementy elektroniczne wymagają dodatkowego chłodzenia - przynajmniej w postaci radiatora. Jego dobór przeprowadza się następująco:

{rezystancja termiczna radiatora} =   ( {temperatura maksymalna układu} - {temperatura otoczenia} ) / { moc wydzielana }
                                    - ( {rezystancja termiczna złacze-obudowa} + {rezystancja termiczna obudowa-radiator} )

Gdzie {temperatura maksymalna układu} i {rezystancja termiczna złacze-obudowa} to dane katalogowe chłodzonego układu (tranzystora, triaka, ...), zaś jako {rezystancja termiczna obudowa-radiator} przyjmuje się wartość od 1K/W (bezpośrednie przykręcenie) do 0.2K/W (pasta silikonowa).

Dla przykładudla BTA16, temperatury otoczenia 50 stopni C i 10 W strat (co odpowiada przepuszczaniu przez triaka 10A) mamy: {rezystancja termiczna radiatora przy 10 W strat} = (125-50) / 10 - 2.1 - 0.1 = 5.3K/W czyli wartość rezystancji termicznej radiatora musi być mniejsza lub równa od 5.3K/W.

Zobacz także w Sieci: artykuł w EdW

Warte uwagi układy scalone

Wybrane układy serii 74HC:

Zobacz więcej: Seria 7400, wykaz układów serii 4000, wykaz układów serii 7400.

Inne układy:

  • mikrokontrolery AVR
    • Atmega8
    • Atmega16
    • Atmega164, Atmega324, Atmega644
  • drivery interfejsów
    • USB to 8bit - FT245
    • USB to UART - FT232
    • USB to 4xUART (w tym dwa uniwersalne - mogące działać jako I2C, SPI, JTAG - FT4232
    • RS485 - MAX485/SN75176B
    • RS232 - MAX232/ST232
    • Ethernet na SPI - ENC28J60
  • układy na szynę I2C
    • 8bit IO z zaawansowanym kontrolerem przerwań (niestety INTF zdaje się nie działać tak jak opisano w dokumentacji - łapie tylko pierwsze przerwanie) - MCP23008
    • open-drain 8bit IO z kontrolerem przerwań - MCP23009
    • 8bit IO z prostym odczytem (mniejsze obciążenie magistrali, dzięki dwóm dostępnym wariantom adresu zaszytego w krzemie do 16 układów na szynie) - PCF8574A(P)
    • 4 analog input, 1 analog output - PCF8591
    • multipleksery magistrali I2C - PCA9540, PCA9542, PCA9544, PCA9548
  • transoptory
  • elementy załączające
  • inne

Warte zainteresowania mogą być także klasyczne kości architektury PC takie jak 8255, 8259, itp, a także popularne współczesne mikrokontrolery z rodzin takich jak AVR, PIC, ...

Linki

Zachęcam też do zapoznania się z częścią "wstępu do techniki" którą poświęciłem elektronice, omawiam tam m.in. prosty układ elektroniczny obrazujący najistotniejsze aspekty tej dziedziny oraz moimi projektami: układ ograniczający prąd rozruchowy transformatora, niestabilizowanego zasilacza buforowego.

Zobacz w Sieci: Wprowadzenie do elektroniki, Lessons In Electric Circuitskopia lokalna, Lessons In Industrial Instrumentationkopia lokalna, Elektronika (nie tylko) analogowa, Elektronika Wirtualna, Elportal - Kopalnia skarbów, Elektronika Praktyczna - archiwum, Laboratorium z techniki cyfrowej w AGH, Pracownia elektroniczna FUW - podstawy elektroniki, Dlaczego neonówka świeci?, Bezprzewodowy wykrywacz napięcia czyli "Jak znaleźć usterkę w lampkach choinkowych?", Przystawka do pomiaru indukcyjności (kit AVT-139), Obudowy układów scalonych, Elektroda.pl, Mirley - Elektronika i Programowanie, Novena (open laptop),
Signals and Systems, Microprocessor Design, Control Systems, Embedded Systems, Robotics, How To Assemble A Desktop PC, wyświetlacz, wyświetlacz ciekłokrystaliczny, OLED, Plastic leaded chip carrier, Digital Electronics, Electronics Handbook, Analogue Electronics, Learn Electronics, Electronics Communication, Electronics Fundamentals, Fundamental Digital Electronics, Digital Circuits, Embedded Control Systems Design, Systems Theory, Analog and Digital Conversion, Electric Motors And Generators, Semiconductors, Signal Processing, Engineering Tables, Basic Electrical Generation and Distribution, Kategoria:Elektronika, Kategoria:Elektroakustyka, Kategoria:Optoelektronika, Control rooms, Electronics, Computers.



Copyright (c) 1999-2015, Robert Paciorek (http://www.opcode.eu.org/), BSD/MIT-type license


Redystrybucja wersji źródłowych i wynikowych, po lub bez dokonywania modyfikacji JEST DOZWOLONA, pod warunkiem zachowania niniejszej informacji o prawach autorskich. Autor NIE ponosi JAKIEJKOLWIEK odpowiedzialności za skutki użytkowania tego dokumentu/programu oraz za wykorzystanie zawartych tu informacji.

This text/program is free document/software. Redistribution and use in source and binary forms, with or without modification, ARE PERMITTED provided save this copyright notice. This document/program is distributed WITHOUT any warranty, use at YOUR own risk.

Valid XHTML 1.1 Dokument ten (URL: http://www.opcode.eu.org/electronics) należy do serwisu OpCode. Autorem tej strony jest Robert Paciorek, wszelkie uwagi proszę kierować na adres e-mail serwisu: webmaster@opcode.eu.org.
Data ostatniej modyfikacji artykulu: '2016-05-03 08:55:21 (UTC)' (data ta może być zafałszowana niemerytorycznymi modyfikacjami artykułu).