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:
- źródło napięciowe - zawsze daje taką samą różnicę potencjałów,
- źródło prądowe - zawsze daje takie samo natężenie prądu
(natężenie prądu I, zwane też prądem definiowane jest jako ilość ładunku przepływająca w jednostce czasu).
Podstawowymi prawami, z których korzysta się w elektronice są prawa Kirchhoffa:
- pierwsze - suma prądów wpływających i wypływających (przy czym te bieżemy z innym znakiem) do dowolnego węzła sieci jest zero,
- drugie - suma spadków i wzrostów napięć na wszystkich elementach obwodu zamkniętego (oczka obwodu) jest zero.
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 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 mamy ma tez kluczowe znaczenie przy łączeniu urządzeń elektronicznych - kablami sygnałowymi nie powinien płynąć prąd związany z różnica potencjałów mas (dlatego np. w wtyku LPT koło 1/4 pinów to masa ...).
Dzielnik napięcia i prądu
Dzielnik napięcia uzyskujemy łącząc szeregowo źródło prądowe wraz z dwoma opornikami. Poprzez dobór wartości oporników możemy uzyskać na wyjściu (jednym z oporników) dowolną wartość napięcia (oczywiście mniejszą od napięcia wejściowego). Dzielnik prądu uzyskujemy poprzesz równoległe połączenie źródła prądowego z dwoma opornikami.
Elementy bierne
Opornik - wprowadza do obwodu dodatkowy opór R (równy swojej rezystancji), powodując powstanie napięcia na jego końcach równego I*R.
Kondensator - gromadzi ładunek elektryczny (magazynuje energię w polu elektrycznym) i może go oddawać do obwodu ...
Cewka - magazynuje energię w polu magnetycznym ...
Diody
Dioda jest elementem o nieliniowym oporze elektrycznym, zasadniczo przepuszczającym prąd tylko w jedną stronę. Wyróżnia się m.in. diody:
- prostownicze (takie zwykłe)
- szybkie (lepsze czasy przełączania - każdą dioda charakteryzuje pewien czas przez który po zmianie polaryzacji płynie impuls prądu wstecznego, o określonej dla danej diody amplitudzie)
- Schottky'ego (przechowują niewielki ładunek, więc szybciej się przełączają)
- Zenera (przewodzą także w przeciwnym kierunku, jednak po przekroczeniu ściśle określonego napięcia zaporowego)
- świecące (LED, emitują światło)
- fotodiody (oświetlenie spolaryzowanego zaporowo złącza powoduje wzrost prądu wstecznego)
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; zobacz dioda półprzewodnikowa).
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.
(wersja źródłowa programu gEDA - tranzystory.sch)
(wersja źródłowa programu gEDA - uklady_polaryzacji_npn.sch)
(wersja źródłowa programu gEDA - uklady_pracy_npn.sch)
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.
Ważną grupą tranzystorów polowych są tranzystory z izolowaną bramką (IGFET). Najczęściej wytwarzane są one w technice MOSFET. 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 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.
(zaznaczona na czerwono dioda niekiedy jest pomijana w oznaczeniach)
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:
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 notm 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).
Elektroniki cyfrowa
Współcześnie bardzo istotnym fragmentem elektroniki, odpowiedzialnym za bardzo wiele znanych z codziennego życia urządzeń (komputery, sterowniki, ...) jest elektronika cyfrowa. Korzysta ona z skwantowanej do dwóch stanów postaci sygnału - stan wysoki i niski (w przeciwieństwie do analogowej, gdzie sygnał był ciągły - przyjmował dowolne wartości z obranego zakresu). Dlatego też tak ważne dla niej są Algebra Boola oraz kodowanie informacji w systemie dwójkowym.
Zobacz także w Sieci: Podstawy techniki cyfrowej, Laboratorium z techniki cyfrowej w AGH.
System dwójkowy
System dwójkowy jest (tak jak dziesiętny) systemem liczbowym, operuje on tylko na dwóch cyfrach - 0 i 1 (a nie jak dziesiętny na dziesięciu 0, 1, 2, ... 9) podstawą są potęgi liczby dwa zatem liczba w zapisie dwójkowym o postaci: dcba będzie odpowiadała liczbie dziesiętnej równej d * 23 + c * 22 + b * 21 + a * 20. Liczby systemu dwójkowego prosto zapisać jest w systemie 8 i 16 poprzez grupowanie w jedną cyfrę nowego systemu odpowiednio 3 i 4 cyfr z liczby zapisanej dwójkowo (licząc od prawej).
Algebra Boole'a i bramki logiczne
Algebra Boole'a jest algebrą dwuwartościową (0 i 1) wyposażoną w trzy działania: sumy, iloczynu i negacji. W języku elektroniki tym podstawowym działaniom odpowiadają odpowiednio bramki: OR, AND, NOT. Bramki logiczne są układami elektronicznymi realizującymi różne funkcje logiczne. Działanie takich funkcji (jak również bramek elektronicznych) przedstawiane jest zwyczajowo w postaci tabelki prawdy.
Logika dodatnia a ujemna
W elektronice wyróżnić możemy dwie postaci logiki: dodatnią gdzie logicznej jedynce odpowiada stan wysoki (zazwyczaj realizowany przez brak napięcia) a logicznemu zeru stan niski (zazwyczaj brak napięcia) oraz logikę ujemną gdzie jest na odwrót, jak łatwo zaważyć tłomaczenia jednej logiki na drugą może dokonać bramka NOT.
Podstawowe bramki logiczne
Bramka logiczna jest układem elektronicznym realizującym określoną funkcję logiczną. Bramki najczęściej realizowane są jako układy scalone zawierające w sobie kilka bramek.
Tabelki prawdy dla funkcji OR, AND oraz ich symbole elektroniczne:
| OR | AND | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
 |
 |
Tabelka prawdy dla funkcji NOT oraz jej symbol elektroniczny:
| NOT | ||||||
|
||||||
 |
Tabelki prawdy dla funkcji NOR (zaprzeczony OR), NAND (zaprzeczony AND) oraz ich symbole elektroniczne:
| NOR | NAND | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
 |
 |
Tabelki prawdy dla funkcji XOR (symetryczny OR), NXOR (zaprzeczony XOR) oraz ich symbole elektroniczne:
| XOR | NXOR | ||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
 |
 |
Dowolną funkcję logiczną można złożyć wyłącznie z bramek AND OR i NOT, a nawet wyłącznie z samych bramek NAND albo NOR. Co ciekawe bramki te można zrealizować nie tylko w sposób elektroniczny ale także i mechaniczny (dowód - bramki logiczne z Lego), a więc całą elektronikę cyfrową, łącznie z komputerami, mikrokontrolerami itd. można wykonać na bazie kółek zębatych ... .
Jak działa bramka
Poniżej przedstawiam schemat ideowy bramki NAND wykonanej w technologii TTL (pochodzący z katalogu nieistniejącego już dzisiaj Naukowo-Produkcyjnego Centrum Półprzewodników CEMI z 1977 roku). Zadaniem tego układu jest podanie stanu niskiego (bliskiego 0) na wyjście Y gdy oba wejścia są w stanie wysokim (bliskim Ucc) oraz podawanie stanu wysokiego na Y w pozostałych przypadkach.
Gdy oba wejścia podłączone są do stanu wysokiego (lub są niepodłączone) w skutek podłączenia bramki dwuwemiterowego tranzystora NPN do stanu wysokiego jego kolektor ma potencjał wysoki (prąd odpływa z bramki przez kolektor), w skutek tego tranzystor na środkowej gałęzi zostaje wprowadzony w stan przewodzenia. To powoduje wprowadzenie w stan przewodzenia dolnego tranzystora na prawej gałęzi i podanie zera na wyjście. Jeżeli natomiast do jednego z emiterów tranzystora stopnia wejściowego przyłożymy zero, wymusi to stan niski na bramce tranzystora środkowej gałęzi i jego zablokowanie (prąd bramki odpływa przez emiter obniżając potencjał bramki a zatem i potencjał kolektora).
Podstawowe przerzutniki
Poza opisanymi bramkami trzeba jeszcze koniecznie wspomnieć o przerzutnikach, które są podstawowymi elementami pamięci - najkrócej mówiąc przerzutnik ustawia odpowiedni stan wyjścia w w zależności od otrzymanego sygnału na wejściu i pamięta go do póki nie zostanie wymuszona jego zmiana. Przerzutniki posiadają dwa wyjścia: Q oraz wyjście -Q, na którym jest sygnał zaprzeczony w stosunku do Q.
Najprostszym rodzajem przerzutnika jest przerzutnik RS - po podaniu na wejście Set zera ustawia on wyjście Q na 1, natomiast po podaniu zera na wejście Reset ustawia on zero na wyjściu Q. Bardziej złożonym typem przerzutnika jest przerzutnik D - posiada on dodatkowo wejścia sygnałowe D oraz zegara C, w momencie narastającego zbocza sygnału C na wyjściu Q ustawiana jest wartość D. Kolejnym typem jest przerzutnik JK -zamiast wejścia D posiada wejścia J i K, zczytuje on stany wejść J i K w momencie nadejścia narastającego zbocza zegara (C) a wyjście ustawia przy zboczu opadającym, jeżeli J i K są w stanie zero to stan wyjścia nie zmieni się, jeżeli są w stanie 1 to wyjście zostanie zaprzeczone, jeżeli mają różne wartości to na wyjście zostanie przepisany stan J. (Zobacz w Wikipedii: przerzutnik typu RS, przerzutnik typu D, przerzutnik typu JK-MS)
Na schematach przerzutniki oznaczamy jako prostokąty z odpowiednio oznaczonymi wyprowadzeniami. Poprzez łączenie kolejnych przerzutników jesteśmy w stanie uzyskać liczniki impulsów.
Inne bramki logiczne i przerzutniki
W przypadku standardowych bramek niedopuszczalne jest łączenie ich wyjść - jest to możliwe po zastosowaniu bramek z otwartym kolektorem (oznaczanych przez dodanie kółka wewnątrz symbolu), wymagane jest wtedy podłączenie do wyjścia zasilania przez odpowiedni rezystor. Należy jeszcze wspomnieć o bramkach Schmita - wyróżnia ona kierunek zmian sygnału (pętla histerezy - poziom sygnału powodujący zmianę stanu wyjścia zależy od tej zmiany) i służy głównie do wprowadzania sygnałów analogowych. Wyróżnia się także bramki tórjstanowe - załączają one wyjście pod wpływem dodatkowego impulsu sterującego.
Oprócz opisywanych przerzutników bistabilnych istnieją również przerzutniki monostabilne - podają one sygnał wejściowy na wyjście, jednak z opóźnieniem wynikłym ze stałej czasowej RC oraz astabilne - generują one sygnał prostokątny o częstości ustalanej przez stałą RC.
Zobacz także w Wikipedii: multiplekser, demultiplekser, pamięć cyfrowa, Programmable Logic Device, matryca CCD
Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe
Poprzez odpowiedni układ sterowanych cyfrowo linii obciążonych różnymi rezystorami jesteśmy w stanie zamienić liczbę zapisaną binarnie na odpowiadające jej napięcie - jest to przetworzenie sygnału cyfrowego na analogowy (przetwornik DAC). Do przetwarzania sygnałów analogowych na cyfrowe służyć mogą kompaktory analogowe - gdy napięcie na wejściu + przekroczy napięcie na wejściu odniesienia (oznaczanym -) na wyjściu pojawia się 1, z ich wykorzystaniem (oraz opcjonalnie z wykorzystaniem przetwornika DAC) jesteśmy w stanie próbkować sygnał analogowy i zamieniać go na liczbę binarną.
Układy programowalne
Obecnie bardzo istotną rolę w elektronice (cyfrowej) odgrywają układy programowalne, wyróżnić można dwa ich typy:
- układy o programowalnej strukturze (PLD) - programowany jest układ bramek, przerzutników, itp. "umieszczanych" w kości, takie jak: FPGA, ASIC, PAL, PLA
- układy procesorowe (przetwarzające ciąg instrukcji), takie jak: komputery, mikrokontrolery.
Układy programowalne powszechnie stosowane są także w dostępnych na rynku urządzeniach elektronicznych. Przy wyborze takich urządzeń (zwłaszcza w przypadku: telefonów IP, routerów/bramek IP, kamer IP, rejestratorów cyfrowych, odtwarzaczy divx itp, switchy zarządzanych, sterowników PLC/sterowników automatyki domowej) warto zwrócić uwagę na dostępność źródeł programu w oparciu o który działa dane urządzenie. Często jest to nawet istotniejsze od schematów elektronicznych urządzenia (gdyż stosowanie układów programowalnych dość radykalnie schematyzuje i uprasza budowę urządzeń), ale miło by było oczywiście jakby także hardware był "open source". Zobacz w Wikipedii: Open Graphics Project, OpenSPARC, OpenMoko, en:Open source hardware, RepRap. Zobacz w Sieci: urządzenia z wbudowanym Linuxem
Linki i moje projekty
Zachęcam też do zapoznania się z częścią "wstępu do techniki" którą poświęciłem elektronice, omawiam tam m.in. prosty ukłąd elektroniczny obrazujący naistotniejsze aspekty tej dziedziny. A także moim projektem niestabilizowanego zasilacza buforowego i projektami w dziale o mikrokontrolerach.
Zobacz w Wikipedii także: wyświetlacz, wyświetlacz ciekłokrystaliczny, OLED; Kategoria:Elektronika, Kategoria:Elektroakustyka, Kategoria:Optoelektronika
Zobacz w Sieci: Elektroda.pl, Elektronika (nie tylko) analogowa, Elektronika Wirtualna, Centrum Elektroniki, ELEKTRONIK J.K., Lessons In Electric Circuits, Dlaczego neonówka świeci?, Pracownia elektroniczna FUW - podstawy elektroniki, Elportal - Przyjazny Portal Elektroniki dla Wszystkich
