BARBARA PIORO MAREK PIÓRO
PODSTAWY
BAR B AR A P IÓ R O M A R E K PDÓRO
PODRĘCZNIK DLA TECHNIKUM
WARSZAWA WYDAWNICTWA SZKOLNE I PEDAGOGICZNE SPÓŁKA AKCYJNA
Recenzent: dr inż. Jan Szymczyk — pracownik naukowy Instytutu Techniki Cie plnej PoHtechniki Warszawskiej Okładkę projektował: K rzysztof Dcmianiuk Redaktor: Małgorzata Marczuk Redaktor techniczny: Małgorzata Chmielewska
Książka dopuszczona do użytku szkolnego przez M inistra Edukacji Narodowej i wpisana do zestawu podręczników do nauczania przedm iotu podstawy elektro techniki i elektroniki w zawodzie technik elektronik na poziomie technikum i szko ły policealnej. N um er w zestawie 1/96
Podręcznik jest zgodny z programem /2105/M P iH /1993.02.15/ nauczania zawodu technik elektronik. Książka stanowi pierwszą część podręcznika i obejmuje podstawowe wiadomości z zakresu budowy, zasady działania oraz zastosowania przyrządów elektronowych, elementów optoelektronicznych, podzespołów i układów elektronicznych. Podręcznik jest bogato ilustrowany, zawiera również tabele z podstawowymi dany mi katalogowymi, oraz słownik angielsko-polski terminów elektronicznych wy stępujących w tekście.
ISBN 83-02-06181-6 cz. 1 ISBN 83-02-05565-4 całość
© C opyright by W ydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna Warszawa 1994
W ydaw nictw a Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna 00-950 W arszawa, PI. D ąbrow skiego 8 W ydanie piijte. Ark. druk. 11,5 Druk i oprawa: Poznańskie Zakłady Graficzne SA Ksk|żkę w ydrukow ano na papierze produkcji International Paper — Kwidzyn SA
SpBs treści
W ykaz o z n a c z e ń ..................................................................................................................................
6
1. E lek tro n iczn e elem enty b i e r n e ...................................................................................................
11
I.!. Rezystory .................................................................................................................................. 1.1.1. Parametry użytkowe rezystorów s t a ły c h ................................................................. 1.1.2. O znaczenia wartości znamionowej rezystorów .................................................... 1.1.3. Rezystory zmienne — potencjometry ..................................................................... 1.2. Kondensatory ........................................................................................................................... 1.2.1. Parametry kondensatorów .......................................................................................... 1.2.2. Kondensatory s t a l e ....................................................................................................... 1.2.3. Oznaczenia kondensatorów s ta ły c h .......................................................................... 1.2.4. Kondensatory z m ie n n e ................................................................................................ 1.3. Cewki in d u k c y jn e .................................................................................................................... 1.3.1. Rodzaje i parametry cewek ....................................................................................... 1.3.2. Ekranowanie cewek ..................................................................................................... 1.3.3. Dławiki ...........................................................................................................................
11 13 14 15 16 17 17 19 19 20 20 22 22
2. Podzespoły układów elektronicznych .....................................................................................
24
2.1. Przetworniki elektroakustyczne ............................................................................................ 2.1.1. Głośniki ......................................................................................................................... 2.1.2. S łu c h a w k i....................................................................................................................... 2.1.3. M ik ro fo n y ....................................................................................................................... 2.2. Linia długa ................................................................................................................................ 2.3. Światłowody .................................... .........................................................................................
24 24 28 29 31 33
3. O p ty k a elektronow a
.....................................................................................................................
38
Podstawowe prawa i pojęcia optyki elektronowej .......................................................... Soczewki elektronowe ............................................................................................................ Wyrzutnie ele k tro n o w e ............................................................................................................ Układy odchylające ................................................................................................................ L u m in o fo ry ................................................................................................................................ Lampa o sc y lo sk o p o w a ............................................................................................................ Kineskop kolorowy ................................................................................................................
38 41 42 43 44 45 46
4. P ółprzew odniki i zjaw iska w nich z a c h o d z ą c e ......................................................................
50
3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.
4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5.
Co to jest półprzewodnik? ..................................................................................................... Półprzewodnik samoistny ..................................................................................................... Półprzewodnik typu N i typu P (n iesam o istn y )................................................................. Co dzieje się z nośnikiem w półprzewodniku? ................................................................. Zjawiska Halla i G a u s s a .........................................................................................................
5. P ółprzew odnikow e elem enty b iern e 5.1. 5.2. 5.3. 5.4.
50 52 53 56 59
........................................................................................
61
T e rm isto ry .................................................................................................................................. Wary story .................................................................................................................................. H a łlo tro n y .................................................................................................................................. Gaussotrony ..............................................................................................................................
61 62 63 65
6. Z łącze P N ......................................................................................................................................
66
6.1. Rodzaje z łą c z y ......................................................................................................................... 6.2. Tworzenie się warstwy zaporowej wzłączu PN.Model pasmowy z łą c z a ................... 6.3. Polaryzacja z łą c z a ................................................................................................................... 6.3.1. Polaryzacja złącza w kierunku przew odzenia........................................................ 6.3.2. Polaryzacja złącza w kierunku z a p o ro w y m ........................................................... 6.4. Przebicie z łą c z a ...................................................................................................................... 6.5. Zjawisko tu n e lo w e ................................................................................................................... 6.6. Schemat zastępczy i parametry złącza PN ........................................................................ 6.6.1. Pojemności z łą c z a ...................................................................................................... 6.6.2. K onduktacja i rezystancja z łą c z a ........................................................................... 6.7. Przełączanie złącza PN (d io d y )............................................................................................
66 66 67 67 68 70 72 73 73 74 75
7. D io d y p ó łp r z e w o d n ik o w e .....................................
........................................................
78
p ro sto w n icze.............................................................................................................. stabilizacyjne.............................................................................................................. pojem nościow e........................................................................................................... przełączające.............................................................................................................. detekcyjne i m ieszające........................................................................................... generacyjne i w zm acniające.................................................................................... modulacyjne i tłu m ią c e ...........................................................................................
82 84 85 87 88 89 90
8. T ran zy sto ry b i p o l a r n e ...............................................................................................................
91
8.1. Rodzaje tra n z y sto ró w ............................................................................................................ 8.2. Struktura tra n z y sto ra ............................................................................................................ 8.3. Praca L ranzystora................................................................................................................... 8.3.1. Zasada d z ia ła n ia ......................................................................................................... 8.3.2. Opis pracy tranzystora metodą ła d u n k o w ą........................................................... 8.4. Układy pracy tra n z y sto ra ...................................................................................................... 8.5. Charakterystyki statyczne tra n z y sto ra ............................................................................... 8.5.1. Charakterystyki statyczne tranzystora w układzie O B ....................................... 8.5.2. Charakterystyki statyczne tranzystora w układzie O E ....................................... 8.6. Stany pracy i param etry tra n z y sto ra .................................................................................. 8.6.1. O bszar pracy a k ty w n e j............................................................................................... 8.6.2. Napięcia p rz e b ic ia ..................................................................................................... 8.7. Schematy zastępcze tr a n z y s to r a ......................................................................................... 8.7.1. Schemat zastępczy typu FI......................................................................................... 8.7.2. Schemat zastępczy h y b ry d o w y ............................................................................... 8.7.3. Schemat zastępczy (model) Ebersa-Molla (stany pracy tra n z y sto ra )............... 8.8. Częstotliwości graniczne tra n z y sto ra .................................................................................. 8.9. Przełączanie tra n z y sto ra ......................................................................................................... 8.10. Podział tranzystorów bipolarnych iichzasto so w an ie...................................................
91 92 93 93 94 95 96 96 97 98 99 99 100 100 102 103 104 106 108
9. E lektroniczne elem enty p rz e łą c z a ją c e .....................................................................................
114
7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7.
9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6.
4
Diody Diody Diody Diody Diody Diody Diody
T ranzystor jed nozłączow y...................................................................................................... D y n isto r................................................................................................................................... D i a k ......................................................................................................................................... T y r y s t o r ................................................................................................................................... T r i a k ......................................................................................................................................... Param etry i zastosowanie ty ry sto ró w ...............................................................................
115 116 118 118 119 120
10. T ran zy sto ry polow e (u n ip o larn e — F E T ) ........................................................................
121
10.1. Tranzystory polowe złączowe ( J F E T )........................................................................... 10.1.1. Zasada d z ia ła n ia .................................................................................................. 10.1.2. Charakterystyki i p a ra m e try ............................................................................... 10.1.3. Schemat z a stę p c z y ............................................................................................... 10.2. Tranzystory polowe z izolowaną bram ką (1 G F E T )................................................. 10.2.1. Zasada działania tranzystora M I S .................................................................. 10.2.2. Charakterystyki i parametry tranzystora M I S ..............................................
122 122 123 124 125 125 126
11. E lem enty i podzespoły o p to e le k tro n ic z n e ...........................................................................
129
11.1. Dioda elektroluminescencyjna ...................................... ................................................ 11.1.1. Zasada d z ia ła n ia .................................................................................................. 11.1.2. Właściwości optyczne i elek try czn e................................................................. 11.2. F o to d e te k to ry ..................................................................................................................... 11.2.1. F o to r e z y s to r......................................................................................................... 11.2.2. Fotodioda i fo to o g n iw o ..................................................................................... 11.2.2.1. Właściwości fo to o g n iw a..................................................................... 11.2.2.2. Właściwości fo to d io d y ........................................................................ 11.2.3. F o to tra n z y s to r...................................................................................................... 11.2.4. F o to ty ry s to r......................................................................................................... 11.3. Półprzewodnikowe wskaźniki c y fr o w e ....................................................................... 11.3.1. Rodzaje wskaźników c y fro w y ch ...................................................................... 11.3.2. Właściwości wskaźników cy fro w y c h .............................................................. 11.4. Wskaźniki ciekłokrystaliczne ( L C D ) .......................................................................... 11.4.1. Podstawowe właściwości wskaźników L C D ................................................. 11.4.2. Wskaźniki LCD z rozproszeniem dynam icznym ........................................... 11.4.3. Wskaźniki LCD z efektem polowym ...............................................................
129 129 130 132 133 134 135 137 137 139 139 139 140 141 141 143 143
12. P aram etry i funkcje u k ład ó w e le k tro n ic z n y c h ..................................................................
146
12.1. 12.2. 12.3. 12.4. 12.5.
W s t ę p ................................................................................................................................... W z m a cn iacze...................................................................................................................... G e n e r a to r y ......................................................................................................................... Układy przemiany częstotliw ości................................................................................. M o d u la to ry ........................................................................................................................ 12.5.1. M odulator A M ...................................................................................................... 12.5.2. M odulatory FM i P M ......................................................................................... 12.6. D em o d u lato ry ............ ........................................................................................................ 12.7. Z asada odbioru ra d io w e g o ........................................................................................... 12.8. Zasada transmisji telew izy jn ej..................................................................................... 12.8.1. Analiza obrazu i d ź w ię k u .................................................................................. 12.8.2. Synteza obrazu i d ź w ię k u ...............................................................................
146 149 152 153 154 155 157 158 160 165 166 168
Słow nik a n g ie ls k o -p o ls k i...............................................................................................................
171
Skorow idz
..........................................................................................................................................
178
.............................................................................................................................................
185
L iteratu ra
W y k a z oznaczeń
A lfa b e t łaciński
as, aw A A w, A z b B Bz C C0 CCb', Ceir Cd Cgsi, C(Jti Cj Cr C tc ci ds dw D Da D„, Dp D w, Dz E Ek, E p Ev / [ /’ j\u Jg,fs, f P f x f\i / . 6
— promień przewodu linii długiej symetrycznej, promień przewodu linii długiej współosiowej — anoda, powierzchnia wiązki, stała — wewnętrzna, zewnętrzna odległość między zwojami cewki — stała — baza, jaskrawość elektronowa, natężenie pola m ag netycznego — indukcja pola magnetycznego — pojemność — pojemność własna cewki, pojemność oprawki — pojemność kolektor— baza, pojemność emiter—baza — pojemność dyfuzyjna złącza — pojemność bram ka— źródło, pojemność bram ka— dren — pojemność złącza — pojemność warstwy zaporowej — pojemność złącza kolektorowego — odstęp między elektrodami, średnica — odległość między środkam i przewodów w linii długiej symetrycznej — promień wewnętrzny przewodu zewnętrznego linii długiej współosiowej — dren — współczynnik dyfuzji nośników w bazie — współczynnik dyfuzji par elektron—dziura — wewnętrzna, zewnętrzna średnica cewki — emiter, natężenie pola elektrycznego — energia kinetyczna, energia potencjalna — natężenie oświetlenia — częstotliwość — częstotliwość rezonansu własnego — maksymalna częstotliwość diody pojemnościowej — częstotliwość dolna, górna, środkowa, pośrednia — częstotliwość heterodyny — częstotliwość rezonansu mechanicznego — maksymalna częstotliwość generacji
fu ’ ./mr > f uf fr
fr F Fu K AF AF0 gb'e> 8ce 8gs> 8ds 8m G h Ihj i I h h:no ■ > I ceo I»' Id,su, Ic h-> I r h , I,, Ip h K Iz /=»• J, k K l l„ Lir Lp L
--- częstotliwość nośna, częstotliwość nośna sygnału wizji, częstotliwość nośna sygnału fonii — częstotliwość różnicowa --- częstotliwość graniczna tranzystora w układzie OB, częstotliwość graniczna tranzystora w układzie OE — częstotliwość graniczna — tor elektronu — częstotliwość nośna, składowa stała — składowa harmoniczna — dewiacja częstotliwości — dewiacja fali nośnej konduktacja wejściowa, konduktancja wyjściowa tranzystora bipolarnego konduktancja wejściowa, konduktancja wyjściowa tranzystora polowego — transkonduktacja — bramka, konduktancja, upływność jednostkowa, stała — czułość prądowa diody detekcyjnej, odległość — elementy macierzy h tranzystora — wartość chwilowa prądu — składowa zmienna prądu, wartość skuteczna — maksymalny prąd przewodzenia --- prąd zerowy kolektora tranzystora w układzie OB, prąd zerowy kolektora tranzystora w układzie OE — prąd drenu, prąd nasycenia drenu — prąd emitera, prąd bazy, prąd kolektora — prąd przewodzenia, prąd wsteczny prąd dyfuzyjny lub unoszenia dla elektronów, prąd dyfuzyjny lub unoszenia dla dziur — prąd fotoelektryczny — prąd nasycenia złącza — prąd upływowy — prąd stabilizacji (Zenera) — prąd zwarcia fotoogniwa — natężenie promieniowania — gęstość prądu w półprzewodniku — wzmocnienie — współczynnik — katoda — długość — szerokość warstwy zaporowej — droga dyfuzji (dla elektronów, dla dziur) — indukcyjność 7
m M n /?0
/*!,
n2
tu n,i,
np
N N0, N w N a, N o p pn,
pp
P P P„ Q 0 L, Qc r, R rBB-> vL rs rz Rn Rd Re Ra Rl S Se / t0 th td tn /ofr
— współczynnik głębokości modulacji — współczynnik powielania lawinowego — koncentracja elektronów, współczynnik załamania toru elektronu — współczynnik załamania światła w ośrodku otaczają cym włókno — współczynnik załamania światła w rdzeniu, współ czynnik załamania światła w płaszczu — koncentracja samoistna — koncentracja elektronów w półprzewodniku donoro wym, koncentracja elektronów w .półprzewodniku akceptorowym — typ półprzewodnika — koncentracja nośników na początku, na końcu bazy — koncentracja atomów domieszki akceptorowej, kon centracja atomów domieszki donorowej — koncentracja dziur, ciśnienie akustyczne — koncentracja dziur w półprzewodniku donorowym , koncentracja dziur w półprzewodniku akceptorowym — moc, typ półprzewodnika — maksymalna moc strat w diodzie — maksymalna moc w tranzystorze — ładunek — dobroć cewki, dobroć diody pojemnościowej — rezystancja, promień rdzenia, promień płaszcza — rezystancja rozproszona bazy — rezystancja uzwojenia cewki — rezystancja szeregowa — rezystancja dynamiczna — promień przesłony — rezystancja ciemna — rezystancja fotorezystora — współczynnik Halla — rezystancja obciążenia — źródło, czułość widmowa fotoogniwa, powierzchnia — strumień energetyczny — czas — czas, w jakim prąd kolektora maleje do zera — czas przelotu nośników przez bazę — czas włączenia diody, czas osiągania stanu aktyw nego przez tranzystor — czas nasycenia tranzystora — czas wyłączenia tranzystora
— — — — — — —
trr ts
T Tc u U t/i. u 2 U
bcp,
U
bep
—
UH E, UC E, UC II
—
U c B O i nax’
—
U cE O m a\
U cE S
Ud ^D.Vsal UF, Ur UGS, Uos UtGS 0fl>
um
Un Ur UPM Urwm UT Uz VI’
wb WA Wc WD IVr Wa Wi WPr Wv v V VB, Vc, V, Z
zc
— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —
czas wyłączenia diody czas przeciągania okres, tem peratura tem peratura krytyczna wartość chwilowa napięcia składowa zmienna napięcia, wartość skuteczna napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe, powierzchnie ekwipotencjalne napięcie przewodzenia złącza kolektorowego, napię cie przewodzenia złącza emiterowego napięcie baza—emiter, napięcie kolektor— emiter, na pięcie kolektor—baza maksymalne napięcie kolektor— baza tranzystora w układzie OB, maksymalne napięcie kolektor— emi ter tranzystora w układzie OE napięcie nasycenia tranzystora bipolarnego napięcie dyfuzyjne złącza napięcie nasycenia dren—źródło napięcie przewodzenia, napięcie zaporowe napięcie bram ka—źródło, napięcie dren—źródło napięcie odcięcia kanału tranzystora polowego amplituda sygnału użytecznego am plituda sygnału nośnego fotoelektryczna siła elektromotoryczna napięcie sygnału zmodulowanego fazowo szczytowe napięcie wsteczne napięcie progowe napięcie stabilizacji (Zenera) długość szerokość bazy energia poziomu akceptorowego dno pasma przewodnictwa energia poziomu donorowego poziom Fermiego szerokość pasma zabronionego w półprzewodniku poziom samoistny energia wyjścia elektronu z półprzewodnika wierzchołek pasma podstawowego prędkość elektronu potencjał potencjał na bazie, potencjał na kolektorze, potencjał na emiterze impedancja impedancja falowa 9
A lfa b e t grecki
a ac ar aU: /i
fh, Pn y y0 A 5 sr >/ A AA H p a i O/i, ©i ę oj
w,„ co7’ ij/g i/',, Ai//
— kąt padania, współczynnik tłumienia, współczynnik wzmoc nienia prądowego tranzystora w układzie OB — temperaturowy współczynnik pojemności — temperaturowy współczynnik rezystancji — temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji — kąt załamania, współczynnik przesunięcia, współczynnik nie liniowości, współczynnik wzmocnienia prądowego tranzysto ra w układzie OE — współczynnik wzmocnienia prądowego w kierunku inwersyjnym, w kierunku normalnym — współczynnik przenoszenia ■ — maksymalny kąt emisji elektronów — przyrost — kąt stratności — przenikalność dielektryczna ośrodka — sprawność energetyczna, wewnętrzny współczynnik blokow a nia, sprawność detekcji — długość fali — szerokość połówkowa — ruchliwość nośników — rezystywność — konduktywność — czas życia nośników, kąt — kąt skręcenia obrazu — kąt krytyczny, kąt Halla — pulsacja, kąt bryłowy — pulsacja sygnału użytecznego — pulsacja graniczna — kąt graniczny — faza początkowa, faza fali nośnej — dewiacja fazy
S ta łe fizy czn e
c = 2,998x 10Km /s — prędkość światła w próżni e = 1,602 x 10" 19 C — ładunek elektronu eV = 1,602 x 10~ 19 J — elektronowolt (jednostka) £() = 8,85 x 10~ 12 F/m — przenikalność dielektryczna próżni h = 6,626 x 10“ '1 4 J •s — stała Plancka k = 1,38 x 10 “ 2 3 J /K 8,62 x 1 0 e V/ K — stała Boltzmanna m = 9,106 x I O- 3 1 kg — masa spoczynkowa q = 1,6 x 10 - 1 9 C — ładunek jednostkowy 10
PRZYPOMNIJ SOBIE: M a te m a ty k a : o
Pojęcie funkcji liniowej, logarytmicznej i wykładniczej.
Fizyka:
Zależność wartości rezystancji od parametrów przewodnika i od temperatury, Jednostkę rezystancji i jej pochodne, o Właściwości dielektryków, o Co to jest przenikalność. o Obliczanie pojemności kondensatora płaskiego, o Jednostkę pojemności i jej pochodne, o Definicję indukcyjności, jednostkę i jej pochodne, o Właściwości pola elektromagnetycznego. o o
Elektrotechnika: Obliczanie rezystancji wypadkowej (zastępczej) układu rezystorów, o Moc wydzielaną w rezystorze o Obliczanie pojemności wypadkowej układu kondensatorów, o Co to jest reaktancja i jakim wyraża się wzorem, o Zależność indukcyjności cewki od materiału rdzenia. o
1. Elektroniczne elem en ty bierne Przez pojęcie elementu biernego rozumiemy: rezystory, kondensatory i ele menty indukcyjne. Elementy tego samego rodzaju (np. rezystory) mają wspólną właściwość podstawową, różne natom iast właściwości drugorzędne. Są one wykonane z różnych materiałów i w różny sposób; w związku z tym mają inne zastosowania i nazwy oraz symbole graficzne (rys. l.l).
1.1. Rezystory Rezystory dzielimy (rys. 1.2) w zależności od: cech funkcjonalnych, na: rezystory, potencjometry, termistory, waryslory i magnetorezystory-gaussotrony; o charakterystyki prądowo-napięciowej, na: liniowe i nieliniowe; o stosowanego m ateriału oporowego, na: drutowe i niedrutowe. o
Rezystory liniowe dzielimy na stałe i zmienne. W rezystorach zmiennych można zmieniać wartość rezystancji (rezystory nastawne lub regulacyjne) lub stosunek podziału rezystancji (potencjometry). II
b) 0) —c z u —
c)
- E p ~ i— d)
e)
f)
Rys. 1.1 Symbole — rezystorów: a) stały; b) zmienny (potencjometr); c) na stawny; — kondensatorów: d) stały; e) zmienny; J) trymer; g) elek trolityczny; h) przepustowy; i) z oznaczoną elektrodą ze wnętrzną; — cewek indukcyjnych: j) bez rdzenia; k) z rdzeniem fer rytowym; I) z rdzeniem stalowym; l) dostrojcza; m) i n) z odczepami [7]
H I— 9)
h)
0
m
H ł0 _
m)
Rezystory drutowe (symbol: RDL) są wyko nane z drutu stopowego (manganin, konstemtan, kant hal, nikielina) nawiniętego na ceram i czny wałek lub rurkę w postaci jednow arstw o wego uzwojenia. Rezystory niedrutowe są wykonane z m ate riału rezystywnego jako rezystory warstwowe lub objętościowe.
W rezystorach warstwowych (symbol: MŁT, AF, ML, R M G , AT), m ate riał rezystywny jest umieszczony na podłożu w postaci warstwy. Rezystory te mogą być węglowe (symbol: OWZ) i metalizowane. W zależności od grubości warstwy, rozróżniamy rezystory cienkowarstwowe (o grubości war stwy poniżej 1 /im) i grubowarstwowe (o grubości warstwy powyżej 1 /im).
R ezystory
12
W rezystorach m etalizowanych (są to rezystory cienkowarstwowe) m ateria łem oporowym jest złoto, platyna, rod, pallad, nikiel, iryd. Dotychczas naj częściej stosowano stopy NiCr (nikiel z chromem, tzw. nichrom). Rezystory warstwowe węglowe stosuje się w układach bardzo wielkich częs totliwości (do 1 GHz). Dopuszczalna moc wydzielana w tych rezystorach wynosi od 0,05 do 1 W; mają one duży poziom szumów własnych oraz duży współczynnik tem peraturowy rezystancji ( 2 x 1 0 _ 4 - ^ 6 x 10- 4 1/°C). Oprócz rezystorów warstwowych wykonuje się również rezystory objętoś ciowe, w których prąd płynie całą objętością rezystora. Do ich budowy stosuje się organiczne lub nieorganiczne materiały oporowe. Są one głównie stosowane w sprzęcie profesjonalnym, gdzie wytrzymują duże obciążenia prądowe i mocy. Rezystory te mają moc od 5 do 20 W i rezystancję od 24 a do 1 MD. R ezystor liniowy w normalnych warunkach pracy charakteryzuje się pro porcjonalną zależnością napięcia od prądu, tzn. spełnia prawo Ohma w po staci ( J = R x I , przy czym i? = const. Dla rezystorów nieliniowych wartość rezystancji jest funkcją prądu lub napięcia. Rezystory są produkow ane w następujących T-ibcl-i li grupach tolerancji: ± 2 0 , ± 1 0 , ± 5 , ± 2 i ± 1 % (± 0 ,5 % ). Rezystory O tolerancjach Ciąg wartości rezystancji w szere± 2 % i ± 1 % charakteryzują się dużą stałością rezystancji i są nazywane rezystorami dokład nymi.
1.1.1. Parametry użytkowe rezystorów stałych Do podstawowych param etrów rezystorów na leżą: o rezystancja znam ionow a (wartość rezystan cji podawana na obudowie elementu). W przypadku rezystorów drutowych wynosi ona 0,51 fi -r- 10 kfi, rezystorów warstwo wych — 1 0 fi -T- Ikfi, a dla rezystorów węglowych — 1 0 fi -f- lM fi; o tolerancja (dokładność, z jaką są wykony wane rezystory o danej wartości rezystancji znamionowej). Klasom dokładności odpo wiadają szeregi (ciągi) wartości rezystancji znamionowych. Są to: E 6 (± 2 0 % ), E l2 (± 1 0 % ), E24 ( ± 5 % ) — tab. 1.1, E48 (± 2 % ), E96 (± 1 % ), E192 (± 0 ,5 % ); 13
o m oc znam ionow a (największa dopuszczalna moc wydzielana w rezystorze, której wartość zależy od jego konstrukcji, zastosowanego m ateriału, a tak że od sposobu chłodzenia rezystora).
1.1.2. Oznaczenia wartości znamionowej rezystorów Istnieją dwa sposoby oznaczania wartości znamionowej rezystorów: 1) kod barwny, 2) kod literowo-cyfrowy. Stosując kod barwny, wartość znamionową oznacza się za pom ocą barwnych pasków, kropek lub ich kombinacji (rys. 1.3). Pierwszy pasek (kropka), umieszczony bliżej czoła rezystora, określa pierwszą cyfrę, drugi pasek (krop ka) — drugą cyfrę, trzeci pasek (kropka) — współczynnik krotności (mnoż nik). Natomiast ostatni pasek oznacza tolerancję i jest podwójnej szerokości. Kod barwny rezystorów przedstawiono w tab. 1.2. Jeżeli np.: na rezystorze będą
a)
b)
Tolerancja
Tolerancja
c) Pierwsza cyfra
Rys. 1.3. Kod barwny rezystorów: a) paski; b) kropki; c) mieszany [12] Tabela
1.2
Kod barwny rezystorów [12]
K olor znaku
Srebrny Zloty Czarny Brązowy Czerwony Pomarańczowy Żółty Zielony Niebieski Fioletowy Szary Biały
14
Pierwszy pasek pierwsza cyfra
Drugi pasek druga cyfra
_ —
_ —
— 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Trzeci pasek współczynnik krotności
Czwarty pasek tolerancja rezystancji %
10“ 10_1 1 10 102 103 10A 105 106
10 5
—
1 2
— —
— — — — — —
—
—
paski: żółty, filoletowy, czerwony, złoty, to oznacza, że ma on wartość znamionową 4,7 kfi i tolerancję ± 5 % . W kodzie literowo-cyfrowym wartość rezystancji określa się zwykle czterema znakam i, np.: wartość 81 fi — cyfrą 81, 8100 fi — cyfrą 8100 lub znakiem 8 k l, a wartość 7 200 000 fi — znakiem 7M2.
1.1.3. Rezystory zmienne — potencjometry W układach elektronicznych oprócz rezystorów stałych stosuje się rezy story zmienne zwane p o ten cjo m en tram i, w których w artość rezystancji zależy do położenia p o k rętła (ruchom ego ślizgacza). W zależności od zastosowania, potencjometry różnią się: rozmiarami, rodzajem ślizgacza, obudową oraz wyprowadzeniami. Ruch ślizgacza, zależnie od kąta jego obrotu (położenia) na osi, powoduje zmianę rezystancji, która może mieć charakter liniowy, wykładniczy lub logarytmiczny. Potencjom etry o charakterystyce liniowej najczęściej stosu je się do regulacji napięcia (dzielniki napięciowe), o charakterystyce logary tmicznej — do regulacji siły głosu we wzmacniaczach akustycznych, a o charakterystyce wykładniczej — do regulacji barwy tonu. Potencjometry mogą być drutowe i niedrutowe (warstwowe: węglowe lub cermetowe). Rodzaje potencjometrów i ich typowe zastosowania przedsta wiono w tab. 1.3. Tabela
1.3
Rodzaje potencjometrów i ich zastosowanie Rodzaj potencjometru potencjometr potencjometr potencjometr potencjometr potencjometr
nastawny pojedynczy podwójny sprzężony
Zastosowanie w układach do częstej regulacji w układach niewymagających częstej regulacji reguluje jeden obwód dwa potencjometry regulują dwa obwody jeden potencjometr reguluje dwa obwody
Potencjom etry drutowe są najbardziej stabilne ze wszystkich rezystorów. Stosuje się je jako potencjometry dostrojcze i wieloobrotowe w układach pom iarowo-kontrolnych. W ykonuje się je o mocy 0,5 h- 4 W. Poten cjometry warstwowe natom iast są stosowane do regulacji napięć w ob wodach, a moc jaka może się w nich wydzielać wynosi od 0,1 do 2 W. Pytania kontrolne: 1. Jakie rezystory można stosować w układzie wzmacniającym sygnał o często tliwości 100 MHz? 2. Które rezystory można uznać za niskoszumowe? 3. Jakie są najważniejsze parametry użytkowe rezystorów? 4. Jakie są wartości znamionowe rezystorów z ciągu E24, a jakie z E12?
15
5. Jaki kod barwny będzie miał rezystor ciągu E24 o wartości znamionowej: a) 5,6 kQ; b) 91 ii; c) 1.2 M fi? 6. Jaką wartość znamionową ma rezystor, którego kod paskowy jest następujący: a) fioletowy, zielony, pomarańczowy, złoty? b) złoty, żółty, szary, czarny? c) biały, brązowy, niebieski, srebrny? 7. W jaki sposób oznacza się tolerancję rezystorów? 8. Czym różni się potencjometr od rezystora? 9 Gdzie stosuje się potencjometry drutowe, a gdzie warstwowe? 10. Czy rezystor o rezystancji znamionowej 1 kQ i mocy dopuszczalnej 0,5 W możemy zastąpić szeregowym połączeniem dwóch rezystorów o rezystancji znamionowej 500 Q i mocy dopuszczalnej: a) 0,5 W; b) 0.25 W; c) 1 W?
1.2. Kondensatory K o n d e n sa to r stanow i układ dw óch lub więcej przew odników (okładzin), odizolow anych w arstw ą dielektryka, grom adzący energię pola elektrycz nego. Kondensatory można podzielić, w zależności od zastosowanego dielektryka (rys. 1.4) oraz od ich przeznaczenia, na: o stałonapięciow e (w obwodach napięcia stałego); o zmiennonapięciowe; o im pulsowe (w obwodach impulsowych o większych wartościach prądu ładowania i rozładowania);
Rys. I.4. Podział kondensatorów [7]
16
o biegunowe zwane polarnymi (pracują przy jednym określonym kierunku doprowadzonego napięcia stałego); o niebiegunowe zwane bipolarnymi (w obwodach napięcia stałego, przy dowolnej jego biegunowości); o o zmiennej pojem ności (do przestrajania obwodów rezonansowych).
1.2.1. Parametry kondensatorów Najważniejszymi param etram i kondensatora są: o pojem ność znam ionow a — CN (wyrażana w faradach (F), określa zdol ność kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych; podaw ana na obudowie kondensatora — ciąg wartości z szeregu E 6 lub E l 2); o napięcie znam ionow e — U (największe dopuszczalne napięcie stałe lub zmienne, które może być przyłożone do kondensatora); o tangens kąta stratności — tg<5 (stosunek mocy czynnej wydzielającej się w kondensatorze do mocy biernej magazynowanej w kondensatorze, przy napięciu sinusoidalnie zmiennym o określonej częstotliwości); o prąd upływowy — /„ (prąd płynący przez kondensator, przy doprow adzo nym napięciu stałym); 0 temperaturowy współczynnik pojem ności — olc (określa względną zm ia nę pojemności, zależną od zmian temperatury).
1.2.2. Kondensatory stałe Podstawowe param etry kondensatora (pojemność znamionowa i napięcie znamionowe) zależą przede wszystkim od rodzaju zastosowanego w nich dielektryka (patrz tab. 1.4). W związku z tym kondensatory dzielimy na: mikowe (symbol KM), ceramiczne (symbol: KCP, K FP, KCR, K FR ), papie rowe (symbol: KLM P, KSMP), z tworzyw sztucznych (organiczne — sym bol: KSF, M KSE, M K SF, M KSP), elektrolityczne (symbol: KEN, KEO, SM, E, T, UL, K ERM S) oraz powietrzne. Do budowy kondensatorów m ikow ych używa się m uskom tu (odmiana miki). K ondensatory te mają mały tem peraturowy współczynnik pojemności 1 mały tangens kąta stratności dielektrycznej. W adą jest wysoka cena kon densatorów o większych wartościach pojemności. K ondensatory ceramiczne są wykonywane z ceramiki alundowej, rutylowej oraz stecitytowej. M ają one małą wartość tangensa kąta stratności oraz duży temperaturowy współczynnik pojemności. Zaletą ich jest duża wartość poje mności znamionowej i małe wymiary. M ają niewielkie wartości indukcyjności własnej, w związku z tym mogą być stosowane w obwodach wielkiej częstot liwości oraz jako pojemności sprzęgające (pojemności w obwodach rezonan sowych i filtrach). K ondensatory papierowe mają małe wymiary przy dużych wartościach pojemności oraz duży współczynnik stratności dielektrycznej. W konden2 — P od staw y elek tro n ik i I
17
Tabela
1.4
Podstawowe param etry kondensatorów w zależności od zastosowanego dielektryka
K o n d e n s a to ry
Tangens kąta Pojemność znamionom N a p ię c ie , V stratności pF — i r—-------juF 500 0fl01 10 tao. 1000 o,oi 0,1 1 10 100 m 10 50 i 100200] HOL 0,0001 OBI OJ 1
P olistyrenow e
Poliestrowe
TtW
Poliestrowe metalizowane Mikowe Ceramiczne
Elektrolityczne aluminiowe
Elektrolityczne tantalowe Powietrzne
<±
satorach tych dielektrykiem jest bibuła nasycona olejem syntetycznym, kon densatorowym lub parafinowym. W kondensatorach z tworzyw sztucznych, dielektrykiem mogą być: folia polistyrenowa, poliestrowa lub polipropylenowa. K ondensatory poli styrenowe mają mały współczynnik tem peraturowy pojemności oraz mały tangens kąta stratności. Są one stosowane w układach pracujących w za kresie wielkich częstotliwości. K ondensatory poliestrowe mają duży współ czynnik tangensa kąta stratności dielektrycznej. Są stosowane głównie w układach napięcia stałego lub zmiennego o małej częstotliwości. K onden satory polipropylenow e mają właściwości zbliżone do właściwości konden satorów' poliestrowych. Stosuje się je w obwodach prądu zmiennego o częs totliwości 50 Hz. K ondensatory elektrolityczne, ze względu na użyty do ich budowy m ate riał, dzielimy na: alum iniowe i tantalowe (z elektrolitem ciekłym — mokre, z elektrolitem suchym — półprzewodnikowe). Pod względem za stosowań układowych rozróżniamy kondensatory: biegunowe i niebiegunowe, stosowane w układach filtracji napięcia zasilania i jako kondensatory sprzęgające w układach małej częstotliwości. Kondensatory elektrolityczne mają duże wartości pojemności znamionowej. Długotrwała praca konden satora przy napięciu mniejszym niż napięcie znamionowe powoduje znaczny wzrost jego pojemności. W adą tych kondensatorów jest duży prąd upływo wy, którego wartość rośnie ze wzrostem tem peratury. Kondensatory elektro lityczne m ają oznaczoną biegunowość. Zm iana biegunów (elektrod) pow odu je zniszczenie kondensatora. 18
1.2.3. Oznaczenia kondensatorów stałych Kondensatory, tak jak i rezystory, mogą być oznaczone cyfrowo, lilerowo-cyfrowo lub za pom ocą kodu barwnego (głównie kondensatory m iniaturo we). W oznaczeniu cyfrowym podaje się najczęściej wartości znamionowe pojemności i napięcia oraz tolerancję. N atom iast w oznaczeniach literowo-cyfrowych, litery oznaczają rodzaj die lektryka kondensatora (pierwszą literą jest K — kondensator, drugą literą może być: P — papierowy, M — mikowy, S — tworzywo sztuczne, którego rodzaj określa trzecia litera: P — polistyren, E — poliester, W — poliwęg lan, P — polipropylen), a cyfry — rodzaj konstrukcji. W kodzie barwnym pierwszy pasek oznacza pierwszą cyfrę wartości pojem ności, drugi — drugą cyfrę wartości pojemności, trzeci — mnożnik dziesięt ny, czwarty — tolerancję wyrażoną w % , piąty — tem peraturowy współ czynnik pojemności, szósty — napięcie znamionowe.
1.2.4. Kondensatory zmienne K ondensatory o zmiennej pojem ności są to kondensatory z dielek trykiem powietrznym (symbol: AM, FM ) lub kondensatory ceramiczne dostrojcze zwane trymerami (symbol TCP). K o n d e n sa to r pow ietrzny jest zbudow any z dw u zespołów rów noległych płytek (ro to r i sta to r), które zm ieniając swe położenie pow odują zm ianę w artości pojem ności k o n d en sato ra. C harakter zmian pojemności kondensatora zależy natom iast od kształtu płytek rotora i statora. Ze względu na charakter zmian wartości pojemności, w zależności od kąta obrotu rotora, rozróżniamy kondensatory o: o prostoliniowej zmianie pojem ności (stosowane jako kondensatory dostrojcze); o prostoliniowej zmianie długości fali (stosowane w aparaturze wyskalowanej w jednostkach długości fali); a)
b)
c)
Rys. 1.5. Charakterystyki kondensatorów zmiennych: a) o prostoliniowej zmianie pojemności; b) o prostoliniowej zmianie długości fali w obwodzie rezonansowym; c) o prostoliniowej zmianie częstotliwości w obwodzie rezonansowym [12]
19
o prostoliniowej zmianie częstotliw ości (używane w aparaturze, w której jest pożądana podziałka o równomiernej skali częstotliwościowej, np. w odbiornikach radiowych i generatorach pomiarowych); o logarytmicznej zmianie pojem ności (stosowane w nadajnikach, odbior nikach oraz w aparaturze pomiarowej). Charakterystyki pojemności w funkcji kąta obrotu rotora przedstawiono na rys. 1.5. K ondensatory obrotowe mają pojemności mniejsze niż 500 pF, natom iast kondensatory nastawne, zwane trymerami, mają pojemności mniejsze niż 100 pF. Pytania kontrolne: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
9.
Jakie typy kondensatorów stosuje się w obwodach rezonansowych? Od czego zależy wartość pojemności kondensatora? Jakie kondensatory stosujemy w zakresie dużych częstotliwości pracy? W jaki sposób oznaczamy kondensatory? Czym różni się kondensator elektrolityczny od kondensatora wykonanego z tworzywa sztucznego? Jaki charakter mogą mieć zmiany wartości pojemności kondensatorów zmien nych? Gdzie się stosuje ten typ kondensatorów? Co to jest trymer? Jaki typ kondensatora może mieć następujące parametry: a) C = 0,1 pF. ¿7= 150 V, tg <5= 1,5 x 10~2? b) C = 2 pF, U = 50 V, tg <5= 1 x 10~3? c) C = 10 nF, ¿7=500 V, tg<5 = 5 x 1 0 " 3? d) C = 1 0 0 nF. U = 20 V, tg (5= 0,5? Jeżeli kondensator o pojemności 2 nF i napięciu znamionowym 1 kV za stąpimy dwoma równolegle połączonymi kondensatorami o jednakowej pojem ności, to powinny one mieć następujące parametry: a) C= 1 nF, ¿7=1000 V; b) C= 2 nF, U= 750 V; c) C= 4 nF, U= 500 V.
1.3.
Cewki indukcyjne
1.3.1. Rodzaje i parametry cewek C ew ka indukcyjna, będąca dw ójnikiem elektrycznym w postaci zwoj nicy, składa się z uzw ojenia, k o rp u su oraz rdzenia (m agnetow odu). Ze względu na sposób wykonania, cewki dzielimy na: o jednow arstw ow e (rys. 1 . 6 a, b, c, d) lub w ielow arstw ow e (rys. 1 .6 e, f); o bezrdzeniow e lub z rdzeniem ; o cylindryczne, płaskie, to ro id a ln e lub drukow ane; o ek ran o w an e lub nieekranow ane. Cewki jednowarstwowe mają wartości indukcyjności od 15 do 20 /¿H. 20
p)
f) © © © ® © @ ® ©
© © ©©©©©©
Rys. 1.6. Sposoby uzwajania cewek: i/) cylindryczna o uzwojeniu ścisłym; /?) cylindryczna o uzwojeniu skokowym; c) plaska o uzwojeniu spiralnym; d) plaska o uzwojeniu kwadratowym; e), f) cewki wielowarstwowe [12] D k — średnica wewnętrzna, D . — średnica zewnętrzna, A „ — wewnętrzna odległość między zwojami, , l : — zewnętrzna odległość między zwojami
Mogą być one wykonywane jako cylindryczne (rys. 1.6« i b) lub płaskie: spiralne (rys. 1 .6 c) lub kwadratowe (rys. l.6cf) o maksymalnej wartości indukcyjności poniżej 0,1 /iH. Cewki wielowarstwowe mają duże wartości indukcyjności (200 -i- 500 /¿H); ich uzwojenie może być równomierne (rys. 1 .6e, f ) lub chaotyczne. Układ odpowiednio wyprofilowanych ścieżek na płytce drukowanej, może również stanowić ele ment indukcyjny (w układach scalonych i obwo dach drukowanych). Co Cewki są stosowane w obwodach rezonanso wych, filtrach, jako elementy sprzęgające oraz ja 1.7. Schemat zastępczy cewki ko dławiki w układach wielkiej lub małej częstot rzeczywistej [12] L — indukcyjność cewki, r t. — re liwości. zystancja cewki, C 0 — pojemność Podstawowymi param etram i cewki (jej schemat własna cewki zastępczy pokazano na rys. 1.7) są: o indukcyjność własna — L; o dobroć — Ol (zależy od częstotliwości pracy i rezystancji uzwojenia), określona wzorem
w którym: w = 2n f — pułsacja, f — częstotliwość pracy cewki, L — indukcyjność, /•/, — rezys tancja uzwojenia.
W artość dobroci wynosi od 30 do 200;
pojemność własna — C0 (występuje między poszczególnymi zwojami cewki, między zwojami a korpusem oraz innymi elementami otaczającymi cewkę) zależy od wymiarów i sposobu uzwojenia. Od wartości pojemności własnej cewki (w granicach od 0,5 do 50 pF) zależy o
częstotliw ość rezo n an su w łasnego
/ 0
= ------------ . Podczas zwiększania czę
stotliwości pracy, najpierw występuje zjawisko rezonansu (gdy ojrLCQ= 1), a następnie zaznacza się pojemnościowy charakter cewki. W technice wielkich częstotliwości (częstotliwości rzędu GHz) przewód o długości 1 cm może być uważany za indukcyjność (patrz linia długa — rozdz. 2 .2 ).
1.3.2. Ekranowanie cewek Prąd przepływający przez cewkę wytwarza w niej pole elektromagnetyczne, które ma wpływ na działanie elementów znajdujących się w jej pobliżu. W celu zmniejszenia wpływu tego pola, cewki umieszcza się w ek ran ach m etalow ych lub (i) w odpowiedniej odległości od innych elementów. Ekrany chronią też cewkę przez zakłócającym wpływem zewnętrznych pól elektro magnetycznych. Indukcyjność własna cewki ekranowanej zmniejsza się, a jej pojemność własna wzrasta. Zmiany param etrów cewki są tym większe, im odległość ekranu od uzwojenia jest mniejsza. Ekrany wykonuje się z blachy aluminiowej, miedzianej lub mosiężnej o różnej grubości. G rubość ekranu musi być tym większa, im jest mniejsza częstotliwość pracy cewki. Ekranuje się cewki o dużych wymiarach — średnica większa niż 15 -r- 25 mm, natom iast cewki o średnicy 4 -r- 5 mm, oddalone od innych elementów na odległość równą 4 -4 - 5-krotnej średnicy nie są ekranowane, gdyż ich wpływ na pracę elementów znajdujących się w ich otoczeniu jest poinijalny. Cewki są stosowane w układach do eliminacji napięć przemiennych, roz dzielenia napięcia stałego od zmiennego, w układach oscylacyjnych, w filt rach do sprzęgania stopni wzmacniaczy.
1.3.3. Dławiki D ław ik jest to cew ka z rdzeniem ferrom agnetycznym o nieliniow ej cha rakterystyce m agnesow ania rdzenia. Jest to element o dużej indukcyjności własnej, którego zadaniem jest eliminowanie lub tłumienie składowej zmien nej sygnału w obwodzie. Zwykle współpracuje on z kondensatoram i, tworząc filtry dolnoprzepustowe. W zależności od częstotliwości pracy, wyróżniamy dław iki m ałej i wielkiej częstotliw ości. Dławiki wykonuje się z cieńszego drutu niż cewki indukcyjne (ich średnica wynosi od 0,05 do 0,1 mm), gdyż ich rezystancja odgrywa drugorzędną rolę. 22
Pytania kontrolne: 1. Dlaczego cewki o identycznych wartościach indukcyjności, lecz przeznaczone do pracy przy innych częstotliwościach, są wykonywane w różny sposób? 2. Które parametry decydują o częstotliwości pracy cewki? 3. W jaki sposób można zwiększyć, a w jaki zmniejszyć (czy jest to możliwe) indukcyjność cewki powietrznej? 4. Dlaczego stosuje się ekranowanie cewek? 5. Czy cewkę o średnicy 20 mm powinno się ekranować? Jeśli tak, to uzasadnij dlaczego i podaj przykład ekranu. 6. Oblicz częstotliwość rezonansu własnego cewki o następujących parametrach: a) C0= 100 pF, ¿ = 116 fiH: b) C0= 50 pF, L = 4 fiH; c) C0 = 2150 pF. L = 54 /iH; 7. Czy element o parametrach: ¿ = 100 ¿¿FI i R = 3 O należy uznać za dławik czy cewkę (częstotliwość pracy ^= 1 0 kHz)?
P R Z Y P O M N IJ S O B IE ! Fizyka: o o o
Prawa optyki (odbicie i załamanie światła), Zjawisko piezoelektryczne, Zależność długości fali od częstotliwości.
M ie rn ic tw o : o
Działanie przetwornika magnetoelektrycznego.
2. Podzespoły o kład ó w elektronicznych 2.1. Przetworniki elektroakustyczne Przetw orniki elektroakustyczne są to elem enty przetw arzające przebiegi akustyczne w przebiegi elektryczne (m ikrofon) lub o d w ro tn ie (głośnik, słuchaw ki). Ze względu na sposób przetwarzania, przetworniki elektroakustyczne można podzielić na: e piezoelektryczne (krystaliczne); o dynam iczne (magnetoelektryczne); o pojem nościow e (elektrostatyczne); o węglowe (tylko mikrofony); o elektrom agnetyczne. Poziom natężenia dźwięku wyraża się w decybelach [dB]. Bel jest to jed n o stka m iary logarytm icznej sto su n k u dw óch porów nyw anych m ocy syg nału (często korzysta się z pom iarów w skali napięcia, prądu lub impedancji). P liczba decybeli = 1 0 log — , *o przy czym P i P0 są to wartości dwóch porównywanych mocy.
2.1.1. Głośniki Zasada działania głośnika jest następująca: o przebieg elektryczny wywołuje w przetworniku elektroakustycznym drga nia membrany; o m em brana przekazuje drgania cząsteczkom powietrza; o drgające cząsteczki powietrza tworzą falę akustyczną. Powszechnie stosowanymi głośnikami są głośniki dynamiczne z przetwor nikiem magnetoelektrycznym. Głośniki klasyfikuje się ze względu na: 24
o sposób promieniowania energii akustycznej — głośniki o tw arte i tubow e; o zastosowanie (zakres odtwarzanych częstotliwości) — głośniki nislcotonowe, w ysokotonow e, śred niotonow e, ultraw y so k o to n o w e, sz ero k o p as m ow e i sta n d a rd o w e (w zestawach muzycznych, w odbiornikach radio wych przenośnych, samochodowych, telewizorach). Bardzo duży wpływ na własności głośnika ma kształt powierzchni mem brany, która może mieć przekrój eliptyczny lub kołowy. Konstruuje się membrany o kształcie: o czaszy kulistej (w głośnikach tubowych, słuchawkach, m ikrofonach magnetoelektrycznych); o płaskim (w słuchawkach, mikrofonach); o stożkowym (w głośnikach stożkowych i tubowych, słuchawkach elektro magnetycznych i piezoelektrycznych oraz mikrofonach); o wykładniczym (w głośnikach stożkowych). W katalogach najczęściej są podawane trzy podstawowe param etry głoś ników: 1) m oc zn am ionow a — P N — wartość mocy elektrycznej, którą głośnik może być obciążony w sposób stały; 2) im pedancja zn am ionow a — Z N — najm niejsza w artość im pedancji dla częstotliw ości powyżej częstotliw ości rezo n an su m echanicznego f M (odpowiada to dolnej częstotliwości przenoszenia), dla którego im pedancja osiąga pierwsze minimum (rys. 2 . 1 );
R ys. 2.1. Z a le ż n o ś ć im p e d a n c ji g ło śn ik a o d c zęsto tliw o ści [17] Z K — impedancja znam ionowa, fu, — częstotliwość rezonansu me chanicznego, f f i — częstotliwość, przy której jest określana wartość
Zn 3) zakres przetw arzanych częstotliw ości — charakterystyka przenoszenia przedstawiająca zmiany ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości (rys. 2.2), przy stałej wartości napięcia doprowadzonego do głośnika. Na podstawie tej charakterystyki wyznacza się górną częstotliwość graniczną, definiowaną jako częstotliwość, przy której ciśnienie akustyczne wytwa rzane przez głośnik spada o 10 dB poniżej średniej wartości ciśnienia w środkowej części pasma przenoszenia głośnika. Z ak res częstotliw ości m iędzy dolną a górną częstotliw ością graniczną stanow i pasm o użyte czne głośnika. Konstrukcję głośnika magnetoelektrycznego pokazano na rys. 2.3. 25
120 dB
110-
104l 100-
p 90
80
701 10
50
100
200 300 400500
1000
f ------ ►
2000 3000
5000
10000Hz 20000
Rys. 2.2. Przykładowa charakterystyka przenoszenia głośnika [17] p — ciśnienie akustyczne
Pojedyncze głośniki mogą być łączone w zespoły głośnikowe. Optymalnym rozw iązaniem zespołu głośnikow ego je s t trójdrożny zespół głośnikow y. Pasmo przenoszenia takiego zespołu wynosi np. 50-1-12 500 Hz i jest podzie lone na trzy rozdzielone pasma, z których każde jest odtwarzane za pomocą odrębnego głośnika. Zespól taki ma trzy głośniki: niskotonowy, średniotonowy i wysokotonowy. Zamiast jednego głośnika mogą być użyte dwa głośniki, jeżeli jest to pożądane ze względu na moc głośników. Rozdział pasma między głośnikiem nisko- i średniotonow ym pow inien przypadać w przedziale częstotliw ości 400 4 - 800 Hz, a między głośnikiem średnio- i wysokotonowym — w przedziale 4000 4 - 6000 Hz (rys. 2.4). Są również zespoły głośni kowe dwudrożne, w których rozdzielone pasmo częstotliw ości powinno znajdować się w jednym z przedziałów: 4000 -f 5000 Hz, 2000 -r 2500 Hz, 1500 Hz lub 600 800 Hz. Podział ten zależy od rodzaju głośnika i wymagań stawianych zespołowi. Zespoły głośnikowe umieszcza się w obudowach zamkniętych (kompakt) lub otwartych. Zespoły głośnikowe w obudowach zamkniętych dobrze przenoszą małe częstotliwości. Są to najczęściej stosowane obudowy, zapewniające przy małych wymiarach najszersze pasmo przenoszenia. Natom iast zespoły głośnikow e w obudowach otw artych o wym iarach podobnych do obudów zam kniętych mają gorsze charakterystyki częstotliw ościow e w zakresie niskich tonów (małe częstotliwości). Głośniki i zespoły głośnikowe produkcji polskiej (Tonsil S.A.) mają oznacze nia literowo-cyfrowe. Litery oznaczają: GD — głośnik dynamiczny, W — wysokotonowy, N — niskotonowy, S — szerokopasmowy, M — średniotonow y, K — kopułowy, T — tubowy, ZG — zespół głośnikowy, C — w obudowie zamkniętej (com pact), B — w obudowie otwartej (bass-refłex). Pierwsza cyfra oznacza średnicę kosza głośnika w centym etrach, druga (pierwsza dla zespołów głośnikowych) — określa moc znamionową 26
Magnes trw a ły
Szczelina powietrzna Membrana
Obrzeze sfałdom ne
Jarzmo
Cewka / ru c h o m a / Resor/ Doprowadzenie do cewki ^
Rys. 2.3. K onstrukcja głośnika magnetoelektrycznego: a) widok ogólny; h) w przekroju
w watach, trzecia (druga dla zespołów głośnikowych) — oznacza wersję lub sposób wykonania głośnika. Cyfry między sobą są oddzielone kreską piono wą.
2.1.2. Słuchawki Słuchawki stosuje się w warunkach, gdy odsłuch głośnikowy jest niemożliwy lub niepożądany. Słuchawki można włączać bezpośrednio w tor foniczny bez potrzeby wzmacniania sygnału, ze względu na ich bardzo mały pobór mocy (kilka mW). Są one używane w urządzeniach Hi-Fi i telekomunikacyjnych (słuchawki telefoniczne). W zależności od sposobu przetwarzania energii elektrycznej, wyróżnia się kilka typów słuchawek, np.: o elektromagnetyczne; o magnetoelektryczne (dynamiczne); o elektrostatyczne. Konstrukcję słuchawki elektromagnetycznej przedstawiono na rys. 2.5a, a słuchawki magnetoelektrycznej — na rys. 2.5b. Jakość odtwarzania dźwięku przez słuchawki elektromagnetyczne jest mier na; pasmo przenoszenia zawiera się w granicach 100 Hz -i- 5 kHz z nierównomiernością ok. ± 1 0 dB. Słuchawki te mają zazwyczaj wymienne wkładki.
Rys. 2.5. Budowa słuchawki: a) elektromagnetycznej; b) magnetoelektrycznej [16]
28
Do odsłuchu stereofonicznego stosuje się słuchawki magnetoelektryczne (dynam iczne), używane również w urządzeniach telefonicznych. Są to słu chawki o wysokiej jakości odtwarzania dźwięków; pasmo przenoszenia wy nosi 30 Hz -4 - 15 kHz z nierównomiernością ok. ± 5 dB. Ich konstrukcja jest zbliżona do mikrofonu dynamicznego, a zasada działania zbliżona do działa nia głośnika dynamicznego. W urządzeniach elektronicznych mogą być również stosowane słuchawki elektrostatyczne, ale wymagają one dodatkowego źródła polaryzacji (zasi lacz sieciowy). Słuchawki, podobnie jak głośniki, są oznaczane literami: SN — słucha wka nagłowna, SM — słuchawka m iniaturowa.
2.1.3. M ikrofony Zasada działania m ikrofonu jest następująca: dźwięk (fala akustyczna) wywołuje ruch drgający cząsteczek powietrza; o drgające cząsteczki powietrza powodują drgania membrany przetwornika elektroakustycznego; o przetwornik zamienia drgania m em brany na sygnał elektryczny. o
Najważniejszą częścią składową m ikrofonu jest m em brana, na którą działa ciśnienie akustyczne lub gradient ciśnienia. Przez pojęcie grad ien tu ciś nienia akustycznego należy rozum ieć różnicę ciśnień w ystępującą po obu stro n ach m em brany m ik ro fo n u , odniesioną do długości drogi fali dźw iękow ej, padającej na przednią i tylną stro n ę m em brany. Stąd wyni ka podział m ikrofonów na ciśnieniowe i gradientowe. M em brana m ikrofonu wygina się w zależności od kierunku padającej fali akustycznej. W związku z tym poszczególne mikrofony mają różne charak terystyki kierunkowości — rys. 2 . 6 (zależność skuteczności m ikrofonu od kąta, pod jakim pada nań fala dźwiękowa). Kształt charakterystyki kierun kowości mikrofonu zależy również od częstotliwości odbieranej fali dźwię kowej. Do podstawowych param etrów mikrofonów należą: o skuteczność (stosunek napięcia na wyjściu m ikrofonu do ciśnienia akus tycznego działającego na membranę, przy określonej częstotliwości); o zakres przetwarzanych częstotliwości; ' o impedancja wyjściowa (impedancja cewki drgającej lub innego układu wyjściowego, mierzona na wyjściu m ikrofonu przy danej częstotliwości). Ze względu na sposób przetwarzania drgań m em brany w sygnał dźwiękowy, mikrofony dzieli się na węglowe, piezoelektryczne, magnetoelektryczne (dy namiczne) i pojemnościowe (elektrostatyczne). M ikrofony węglowe prze twarzają częstotliwości w przedziale 200 Hz -h 4 kHz (ucho ludzkie odbiera częstotliwości od 16 Hz do 16 kHz), m ikrofony magnetoelektryczne — 30 Hz -f- 10 kHz, natomiast mikrofony piezoelektryczne — 12 Hz -r- 14 kHz. 29
Rys. 2.6. Charakterystyki kierunkowe mikrofonów: a) nerkowa; b) kulista; c) ósemkowa; d) ostrokierunkowa; ej kardioidalna [8]
M ikrofony węglowe są stosowane w telefonach, magnetoelektryczne — w urządzeniach radiofonicznych, a piezoelektryczne — w m agnetofonach. M ikrofony pojem nościowe są stosowane jako mikrofony studyjne, ze względu na ich wysoką klasę. Poza tym mikrofony mogą być przewodowe lub bezprzewodowe. Konstrukcję m ikrofonu magnetoelektrycznego przedsta wiono na rys. 2.7. Wybierając rodzaj mikrofonu, należy wziąć pod uwagę, z jakim i urządzenia mi będzie on współpracował, w jakich warunkach oraz jakie pasmo częstot liwości powinien on przenosić.
30
Mikrofony produkcji krajowej mają również oznaczenia literowe, w których M oznacza mikrofon (pierwsza litera): D — dynamiczny, C — pojemnościowy, K — piezoelektryczny (druga litera); O — kołowa charakterystyka kierunkowos'ci, U — kierunkowa charakterystyka (trzecia litera). Cyfra natom iast oznacza num er opracowania. Pytania kontrolne: 1. Na podstawie katalogów przedstaw zastosowanie różnych typów: a) głośników: b) mikrofonów: c) słuchawek. 2. Na podstawie katalogów przygotuj zestawienie, uwzględniając zastosowane przetworniki w: a) głośnikach; b) mikrofonach: c) słuchawkach. 3. W jaki sposób powinny być dobierane głośniki w zespołach głośnikowych? 4. Wymień znane Ci typy słuchawek. 5. Na podstawie katalogów spróbuj znaleźć związek między charakterystykami a zastosowanymi przetwornikami w danym rodzaju mikrofonu. 6. Jakie znasz charakterystyki kierunkowości mikrofonów i od czego zależy ich kształt? 7. Na co należy zwrócić uwagę przy doborze mikrofonu?
2.2. Linia długa Przew ody (kable) o długości co najm niej k ilk a k ro tn ie większej od długo ści fali przesyłanego sygnału elektrom agnetycznego wielkiej częstotliw o ści — nazyw am y liniam i długim i. Na przykład przewód o długości 5 m jest linią długą dla sygnału o częstot liwości 200 MHz, którem u odpowiada długość fali 150 cm. Tak więc liniami długimi są linie telewizyjne i telekomunikacyjne, którymi przesyła się sygnały o częstotliwościach z przedziału 0,1 h- 1000 M Hz oraz linie mikrofalowe (do 10 GHz). Linie długie mogą być wykonane jako przewody symetryczne (rys. 2.8«) lub koncentryczne (współosiowe — rys. 2 . 8 b).
Rys. 2.8. Rodzaje linii długiej: a) symetrycz na; b) współosiowa (koncentryczna) [8]
przewodu linii symetrycznej,
31
Podstawowymi param etram i linii długiej, które przypadają na jednostkę dłu gości przewodu są: rezystancja jednostkow a — R, pojem ność jednostko wa — C, indukcyjność jednostkow a — L oraz upływność jednostko wa — G. Schemat zastępczy linii długiej przedstawiono na rys. 2.9.
Rys. 2.9. Schemat zastępczy linii długiej R — rezystancja jednostkow a, L — indukcyjność jednostkow a, C — poje mność jednostkow a, G — konduktancja jednostkow a
N atom iast param etram i charakteryzującymi linię długą są: współczynnik przenoszenia — y i impedancja falowa — Z c. _ R+jcoL c~ \lG + } a )C ’ a dla linii bez strat Z c =
lub
Z c = ^J Z zZ „ ,
przy czym: Z z — impedancja linii długiej w stanie zwarcia, a Z„ — impedancja w stanie rozwarcia.
Współczynnik przenoszenia dla linii długiej, w której są straty można okreś lić wzorem
y=
\/ć ^ + jw Z )( C + jc o C ) = a + j/i,
w którym: a — współczynnik tłumienia, a /i — współczynnik przesunięcia, wyrażany w radianach.
Linie długie, w których nie występują straty charakteryzują się rezystancją równą zeru i upływnością równą nieskończoności. Indukcyjność i pojemność linii długiej oblicza się ze wzorów: dla linii symetrycznej
dla linii współosiowej
L = 0.4 In - , cis
L = 0,2 ln — , ciw
0 = 2 7 ,8 er/ln - , ch „ 1 2 0 ds Z c = —7 = 1n —, Gr (łs
C = 55,5 er/ln — , ciw 60 dw Z c — —7= ln — , yJEr Clw
przy czym: L — indukcyjność linii o długości 1 m (/d-I/m), C — pojemność linii o długości 1 m (pF/m), v.r — przenikalność dielektryczna ośrodka, as — promień przewodu linii symetrycz nej (mm), aw — promień przewodu wewnętrznego (mm), ć/t — odległość między środkami przewodów symetrycznych w linii symetrycznej (mm), dw — promień wewnętrzny przewodu zewnętrznego w linii współosiowej (mm).
Podczas projektowania lub konstruowania układów z linią długą, należy pamiętać o dopasowaniu jej na wejściu i wyjściu (im pedancja falow a linii długiej po w in n a być ró w n a im pedancji źródła sygnału i im pedancji ob ciążenia). Niedopasowanie impedancji może spowodować odbicia fali elekt romagnetycznej (sygnału), a w konsekwencji zakłócenia sygnału użytecznego. Niekiedy zjawisko odbicia fali elektromagnetycznej jest wykorzystywane w praktyce (na przykład linie długie ćwierćfalowe i półfalowe są używane do dopasowania innej linii długiej).
2.3. Ś w iatło w o d y Św iatłow ody służą do przesyłania (transm isji) na różne odległości (nawet do 2 0 0 km) fal elektrom agnetycznych — w postaci św iatła lub o b ra zu — o częstotliw ościach optycznych (3,95 -i- 7 ,9 x 1 01 4 Hz). Odznaczają się one niewielkim tłumieniem transmitowanego sygnału oraz bardzo szero kim pasmem przenoszenia, dochodzącym do dziesiątków gigaherców. Świat łowody są wykonywane z tworzywa sztucznego lub z włókna szklanego (głównie szkło nieorganiczne); mogą być jednowłóknowe lub wiązkowe. Po jedyncze włókno jest zbudowane z rdzenia (szkło o dużym współczynniku załamania światła /?,), którego średnica może wynosić od 50 do 1000 /¿m i płaszcza (szkło o małym współczynniku załamania światła — n2) o średnicy od 125 do 1050 /im. Przesyłanie fali światłowodem odbywa się w wyniku zjawiska całkowitego odbicia (kąt padania równy kątowi odbicia) światła od powierzchni wewnę trznej, co przedstawiono na rys. 2.10. K ą t odbicia św iatła, przy którym następuje całkowite odbicie, jest określony stosunkiem współczynnika zała mania światła w rdzeniu — nx i współczynnika załam ania światła w płasz czu — /?,. Odbiciu będą ulegały tylko te promienie, które padają pod mniejszym kątem niż k ą t graniczny — if/tJ. n0s\ml/g= y/ n l —n l , przy czym n0 jest współczynnikiem załamania światła w ośrodku otaczającym włókno.
Światło będzie transmitowane, jeżeli kąt padania będzie mniejszy od k ą ta krytycznego —
33
Rys. 2.10. Przekrój włókna światłowodowego i przesyłanie fali światłowodem [11] r — promień rdzenia, R — promień płaszcza, ;i, — współczynnik załamania rdzenia, n2 — współczynnik załam ania płaszcza, i//,, — kąt graniczny,
Światło padające na powierzchnię czołową światłowodu jest transmitowane bez strat, gdy kąt graniczny będzie równy 90°, co zachodzi przy ^ = 1,80 i /if2 = l,50. Jeżeli nx = \,62 i « 2 = 1,52, to kąt graniczny wynosi 34°. Światłowody są coraz powszechniej stosowane w wielu dziedzinach nauki, techniki i medycyny, np.: o telekomunikacji (przesyłanie sygnałów telefonicznych, telewizyjnych czy transmisji danych); o technice fotografowania (endoskopia); o technice komputerowej (połączenia sieciowe); o wojskowości (w samolotach, okrętach czy pojazdach bojowych). Na uwagę zasługują urządzenia zwane fiberoskopam i (rys. 2.11), w których część włókien służy do oświetlenia niedostępnego przedmiotu, a pozostałe przenoszą jego obraz. Obraz
O św ietlacz
Rys. 2.11. Zasada działania fiberoskopu [11]
Ze względu na warunek propagacji fal świetlnych rozróżnia się światłowody jedno- i wielomodowe. M o d św iatłow odow y jest to pojedynczy rodzaj drg ań w łasnych św iatłow odu (lub inaczej jest to liczba kątów, pod jakimi wprowadza się falę do światłowodu). Ogólnie w światłowodzie mogą być wzbudzone drgania własne rdzenia — m ody falow odow e, oraz drgania 34
własne płaszcza — m ody wypływowe. Zmniejszając średnicę rdzenia świat łowodu, zmniejsza się liczbę transmitowanych modów. W światłowodzie będzie rozchodził się tylko jeden mod, jeżeli będzie spełniony następujący warunek: 2nr r ł----t ^ ,, — V » T -» 2 < 2 ,4 , przy czym: r — promień rdzenia, /. — długość fali.
Dla światłowodu o średnicy kilku ¡.im transmitującego falę optyczną, waru nek jednomodowości jest spełniony, np. przy / ? 1 = 1,5 i n2 = 1,485. Wymiary światłowodów podano w tab. 2.1. Tabela
2.1
Wymiary światłowodów w zależności od zmiany współczynnika załam ania światła Rodzaj światłowodu wiclomodowy
Średnica
jednomodowy skokowy
skokowy*
gradientowy*
rdzenia
50-1000 pan
50-7-100 /.im
4-4-10 ¿im
płaszcza
125*1050//m
125 i 140 ,um
75 i 125 /Lim
* — skokow y lub gradientow y jest to rozkład w spółczynnika załam ania światła.
Światłowody transm itują falę elektromagnetyczną z pewnymi stratam i (absorbcja promieniowania w szkle, nie wszystkie promienie ulegają całko witemu odbiciu), które rosną wraz ze wzrostem długości przenoszonej fali — rys. 2.12. Straty zależą również od długości światłowodu. Do oceny popraw ności transmisji podaje się wartość tłumienia św iatłow odu (dB/km). Zależy ona od własności ośrodka transmisyjnego (czystość, jednorodność), nierówno ści między powierzchniami rdzeń-plaszcz oraz od zmian kształtu światłowodu.
t
I
300
////
_________
400
i
i
i
i
i_____________ __________
500 600 700 800 900 1000
1400
x
—\
\
1800 2200 nm 3000
A-----*Rys. 2.12. Zależność jakości transmisji w światłowodzie od długości fali i długości światło wodu [11]
3*
35
W yróżniamy św iatłowody jednow łóknow e (stosowane w telekom unika cji — rys. 2.13«) i wiązkowe (do transmisji światła — rys. 2.13b i transmisji obrazu — rys. 2.13c). Światłowody, za pom ocą których przesyła się obrazy, mogą być sztywne (można je obracać tak jak pręty szklane, a po podgrzaniu do wysokiej tem peratury dają się wyginać) lub giętkie. Obecnie wykonuje się również światłowody z tworzyw sztucznych. Zaletą takiego światłowodu jest to, że może być on cięty przez użytkownika.
Rys. 2.13. Światłowód: a) jcdnowlóknowy; h) wiązkowy do transmisji światła; c) wiązkowy do transmisji obrazu; ci) obraz uzyskany w wyniku transmisji [11]
Pytania kontrolne: 1. Jaka jest różnica między linią symetryczną a współosiową? 2. Jakie parametry będzie miała linia symetryczna, a jakie współosiowa, jeśli: a) 2a = 1 mm, d = 8 mm; b) 2a = 0,5 mm, d = 2,5 mm; c) 2a = 0,75 mm, d = 5 mm?
36
3. Jaka jest różnica między światłowodem służącym do transmisji światła a świat łowodem do transmisji obrazu? 4. Jakie muszą być spełnione warunki do transmisji światła, a jakie do transmisji obrazu? 5. Czym różni się kąt graniczny od krytycznego i jakie są ich wartości w światło wodzie, jeśli współczynniki załamania światła wynoszą: a) /?,= 1,71, n2= 1,50; b) /?,= 1,76, n2= 1,51; c) /7n= 1,67, /72= 1,52. 6. Co to jest i do czego służy fiberoskop? 7 Podaj różnice i podobieństwa światłowodu i linii długiej.
P R Z Y P O M N IJ S O B IE : Fizyka i e le k tro te c h n ik a : o o o
Prawa optyki. Pojęcie promienia świetlnego. Ruch i tor elektronu w polu elektrycznym i magnetycznym.
3. O ptyka e le k tro n o w a Optyka elektronowa zajmuje się nie tylko ruchem i kształtowaniem toru elektronu pod wpływem działania pola elektrycznego i magnetycznego, ale również formowaniem, strukturą i sterowaniem wiązki elektronowej (zbiór torów elektronów) oraz jej zastosowaniem. Elementami w optyce elektronowej są: o wyrzutnie elektronowe (będące źródłem elektronów i służące do ich przy spieszania i formowania w wiązkę elektronową); o soczewki elektronowe (służące do skupiania i ogniskowania w danym punkcie wiązki elektronowej — soczewki mogą być elektryczne i m ag netyczne); o układy odchylające (służące do odchylania torów elektronów); o analizatory prędkości (mierzące liczbę elektronów mających określone prędkości); o akceleratory cząstek naładowanych (układy przyspieszające te cząstki); o źródła energii. Do układów elektronooptycznych zaliczamy: lampy elektronoprom ieniowe (mikrofalowe, oscyloskopowe, obrazowe, analizujące i kineskopy); o urządzenia elelctronowiązkowe (wzmacniacze obrazu, mikroskopy elek tronowe, urządzenia do topienia i spawania metali).
o
3.1. Podstaw ow e prawa i pojęcia optyki elektronowej Elektrony pod wpływem działania pola elektromagnetycznego poruszają się po torach prostoliniowych lub krzywoliniowych (gdzie elektron może poru szać się po linii śrubowej lub po cykloidzie). Tor elektronu można opisać równaniem ruchu elektronu w polu elektromagnetycznym
przy czym: m — masa elektronu, v — wektor prędkości elektronu, E — wektor natężenia pola elektrycznego, B — wektor natężenia pola magnetycznego, e — ładunek elektronu.
Każdy elektron poruszający się w polu elektromagnetycznym ma energię kinetyczną i p o ten cjaln ą, których wartości m ożna obliczyć korzystając ze wzorów:
Ek= im>ll2,
Ep = - e U .
Podstawowym prawem optyki elektro nowej jest prawo załamania (rys. 3.1) toru ruchu elektronu (promień elek tronowy), dla którego w spółczynnik załam ania
AU°Ui ~U2
n —sina/sin/? = \’i/v 2 —y /U z lU i, przy czyni: a i /i — kąt padania i kąt załam a nia: r, i r2— prędkości elektronów odpow iada jące napięciu Ut i Uz. Załam anie promienia elektronowego następuje między powierzchnia mi ekwipotencjalnymi {£/, i U2).
Rys. 3.1. Z a ła m a n ie p ro m ie n ia e lek tro n o w eg o [2] i./,, U2 — powierzchnie ekwipotencjalne, i — kąt padania promienia, /i— kąt załamania
W iązkę elektronow ą tw orzą elektrony pochodzące z jednego źródła em i syjnego, k tó re poruszają się w jednym k ieru n k u w próżni w w yniku oddziaływ ania przyspieszającego pola elektrycznego. Optyka elektronowa umożliwia tworzenie obrazów, co przedstawiono na rys. 3.2. Punkt jest odwzorowany w plamkę w wyniku istniejących błędów odwzorowania związanych z działaniem pola elektrycznego i mag-
Rys. 3.2. Proces tworzenia się obrazu [10] Po — punkt przedmiotu, PB — punkt przedmiotu na przesłonie, obrazu przedm iotu w wyniku istnienia pola magnetycznego
— punkt obrazu, 0U, 0, — kąty skręcenia
39
netycznego. Najczęściej spotykanymi błędami odw zorow ania obrazu, zwią zanymi z polem elektrycznym, są: o aberracja sferyczna (punkt obrazu jest przetwarzany w krążek — rys. 3.3«); o przecinkowość — koma (obraz przypomina przecinek — rys. 3.3/;); o astygm atyzm (punkt jest przetwarzany w dwa punkty, w wyniku czego powstaje obraz w kształcie elipsy).
Rys. 3.3. Błędy odwzorowaniu obrazu: a) aberracja sferyczna; b) koma; c) aberracja chrom atyczna [10] P(i — punkt przedmiotu, P, — punkt obrazu, y0 — maksymalny kąt, pod jakim są emitowane elektrony z punktu przedmiotu, Ru — promień przesłony; A.vt — promień rozmycia obrazu przedmiotu, Ar* — odle głość płaszczyzny obrazu od soczewki, yi — odchylenie skrajnych promieni po skupieniu, t = 3(F — kąt, jaki tworzy styczna do okręgów z prostą łączącą środki tych okręgów, / — wielkość rozmycia obrazu, r — m ak symalny promień koła tworzącego błąd, .vm — odległość środka największego kola od punktu obrazu, F {, F2 /•’, — tory elektronów po przejściu przez przesłonę, v,, v2, i’3 — prędkości elektronów startujących z jednego punktu
Pole elektromagnetyczne wprowadza zniekształcenia anizotropowe, powodu jące takie same błędy obrazu jak pole elektryczne, oraz dodatkow o skręcenie obrazu. Inne błędy odwzorowania są związane z rozmyciem obrazu, po wstałym w wyniku ugięcia wiązki elektronów na przesłonie (dyfrakcja) oraz odchylenia toru elektronu (aberracja chromatyczna — rys. 3.3c‘). 40
3.2. Soczewki elektronow e Soczewka elektronowa, tak jak i świetlna, ma zdolności skupiające bądź rozpraszające. Rozróżniamy następujące soczewki elektronowe: o immersyjna (energia elektronu zmniejsza się lub zwiększa po przejściu przez tę soczewkę) — rys. 3.4;
Rys. 3.4. Soczewki immersyjne: «), b) rozkład pola w soczewkach dwururowych [10] Ut , U2 — potencjały elektrod, U — rozkład napięcia na osi między elektrodami
Przesłona druga /
Rys. 3.5. Soczewka symetryczna [10]
41
katodow a (rodzaj soczewki immersyjnej, w której przedmiot emituje elek trony — fotokatoda); o symetryczna, zwana również pojedynczą (wykorzystywana w m ikrosko pach elektronowych, utworzona przez obszar pola między trzema prze słonami — trzema soczewkami elementarnymi) — rys. 3 .5 ; o przesłonowa (utworzona przez obszar pola elektryczne go w obrębie otworu lub Linia pola Przestana szczeliny); o zwierciadło elektronowe (za wraca tory elektronów w stro nę ich źródła) — rys. 3.6. Oprócz wymienionych, wyróż niamy także soczewki kwadrupolowe i oktupolowe, które są sto sowane np. w akceleratorach cząstek i spektrom etrach maso Rys. 3.6. Zwierciadło elektronowe [10] Po — źródło elektronów, P, — obraz punktu Pt) wych. o
3.3. W yrzutnie elektronowe Wyrzutnię elektronową stanowi źródło elektronów i soczewka elektro nowa, która ogniskuje wiązkę elektronową (rys. 3.7).
Rys. 3.7. W yrzutnia elektronowa [10] — płaszczyzna ogniskowania wiązki, dk — średnica krążka emitującego elektrony,
Podstawowym param etrem wyrzutni jest jaskrawość elektronowa, która zależy od prądu wiązki i od jej powierzchni przekroju. Pierwszą soczewką w wyrzutni elektronowej jest soczewka katodowa, zbudowana z katody emitu jącej elektrony, elektrody sterującej oraz anody przyspieszającej elektrony.
3.4. Układy odchylające Z ad an iem u k ładu odchylającego jest odchylanie wiązki elektronów (rys. 3.8). Pierwszym elementem układu odchylającego jest wyrzutnia elektro nowa. W iązka elektronowa wychodząca z wyrzutni jest ogniskowana przez soczewkę symetryczną (dwuprzesłonową). Tak zogniskowana wiązka jest
Rys. 3.8. Położenie wyrzutni elektro nowej (/) względem soczewki ogni skującej (2) i układu odchylające go (3) oraz płaszczyzny obrazu (4) z
[ 10] Us, U0, U — potencjały poszczególnych elektrod, y,. — kąt odchylenia wiązki, z, — punkt na ekranie
odchylana w płaszczyźnie X Y , w wyniku działania pola elektrycznego (odchylanie elektrostatyczne) lub magnetycznego (odchylanie magnetyczne). Odchylanie elektrostatyczne stosuje się w oscyloskopach, a odchylanie m agnetyczne — w kineskopach. Układy odchylające powinny się charak teryzować liniowością odchylania, dużą czułością odchylania (duże odchyla nie przy małym napięciu odchylającym) i małymi błędami odwzorowania. Płytki odchylające mają różne kształty: płaskorównoległe, ukośne, łamane i profilowane. Dwie pary płytek płaskorównoległych mogą być oddalone od siebie (w oscyloskopie) lub mogą tworzyć ściany czworoboku. Oprócz odchylania elektrostatycznego jest stosowane odchylanie magnetycz ne, którego układy przedstawiono na rys. 3.9. N a szyjce kineskopu, na
Rys. 3.9. Położenie na lampie magnetycznego układu odchylającego (cewek) [10]
43
jednym rdzeniu magnetycznym, są umieszczone dwie cewki odchylające, two rząc tzw. zespól odchylający. Sterując prądem cewek odchylających, uzys kujemy złożone pole magnetyczne, które z kolei steruje odchylaniem wiązki elektronowej w płaszczyźnie poziomej i pionowej. Błędy odchylania układów odchylających stanowią: dystorsja (poduszkowata lub beczkowata), astygmatyzm, zakrzywienie pola i kom a oraz błędy asymetrii układów odchylających, które powstają podczas m ontażu (skręce nie lub przesunięcie cewek odchylających względem siebie, nachylenie lub przesunięcie układu odchylającego względem osi). Zniekształcenia obrazu mogą być również spowodowane rozogniskowaniem wiązki przez układ od chylający.
3.5. Luminofory L um inofor jest to m ateriał krystaliczny, ch arakteryzujący się tym , że energia elektronów uderzających w niego jest zam ieniana na energię św ietlną (zjawisko to nosi nazwę elektroluminescencji). Zjawisko elektroluminescencji zachodzi tak długo, dopóki elektrony pobudzają powierzchnię luminoforu. Z chwilą ustania pobudzenia, luminofor nadal emituje światło (zjawisko fosforescencji, zwane również poświatą), ale o malejącym z upły wem czasu natężeniu. Zjawisko fosforescencji zanikające w bardzo krótkim
Tabela
3.1
Param etry i zastosowanie luminoforów [13] Luminofor Zastosowanie kolor świecenia
typ
poświata
Przebiegi oscyloskopowe o małej częstotliwości powtarzania
żółto-zielony
PI
średnia 20 ms
W oscyloskopach
żółto-zieiony zielony
P2 P31
średnia 0.1 ms
Telewizja Telewizja kolorowa
biały trójkolorowy
P4 P22
średnio krótka
niebieski
P5 P il
średnio krótka 40 fis
żółto-zielony żółto-pomarańczowy pomarańczowy
P7 P14 P12 P19
długa 0.3-4-4 s średnia długa 0.5 s 20 s
fioletowy zielony
P16 P24
bardzo krótka < 1 fis krótka 2 fis
Fotografowanie z ekranu
R adar
Układy z „latającą plam ką”
44
czasie (kilku ps) nazywa się fluorescencją. Czas poświaty zależy od typu luminoforu i wynosi od 1 do kilkunastu i więcej sekund. Luminofory o długim czasie poświaty są to dwa luminofory nałożone na siebie. W jed nym zachodzi zjawisko elektroluminescencji, a w drugim fotolum inescencji (zjawisko świecenia w wyniku absorbcji promieniowania). K olor emitowanego światła zależy od składu chemicznego luminoforu (kolor zielony emitują siarczany i krzemiany cynku, kolor niebieski — wolframiany kadmu lub potasu). W tabeli 3.1. przedstawiono rodzaje luminoforów i ich zastosowanie, a na rys. 3 . 1 0 — charakterystyki spektralne luminoforów oraz charakterystykę wrażliwości oka ludzkiego. W celu poprawienia param etrów obrazu luminofor pokrywa się cienką wars twą metalu.
a)
Niebieski 3500 4000
4500
|
|
Zielony
5000 5500
6000
Czerwony
b)
6500 A 7000
100r 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 MODO
100r
-g % -Sr 8 »
1 rP2 w ^pi
* 50
-
350
400
450
500 550 Długość fa li
600
650 nm 100
c)
350
400 450
500 550 600 650nm700 Długość fa li
d) 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 A 1000
5500 6000 6500 A 7000 g 100r3500 4000Mil4500 5000 ✓N
t> |
°24Y
50
Cj /
0
350 400
Długość fa li
\ P19
I I I I
r 0 /0
/ /
450 500 550 600 650nm700 Długość fa li
Rys. 3.10. Charakterystyki spektralne: a) wrażliwości oka ludzkiego; />), c), cl) luminoforów [13]
3.6. Lampa oscyloskopowa L am pa oscyloskopow a służy do odw zorow ania przebiegu napięcia (naj częściej w funkcji czasu) w postaci o b razu (kształt przebiegu). Lampa oscyloskopowa (rys. 3.11) jest zbudowana z wyrzutni elektronowej, 45
układu odchylającego i ekranu pokrytego luminoforem. Wiązka elektrono wa, uform owana w wyrzutni elektronowej i odchylona przez układ odchyla jący, uderza w luminofor powodując jego świecenie i powstanie obrazu.
Ź ródło
Obszar Obszar ,przyspieszania odchylania \ i skupiania
j
S iatka / / Anoda 1j
Pokrycie grafitow e
l A noda2 P ły tk i P łytki odchylania ' odchylania pionowego \ poziomego (Y ) \ (X)
Rys. 3.11. Budowa lampy oscyloskopowej [13]
Najważniejszymi parametrami lampy oscyloskopow ej z punktu widzenia użytkownika są: o wymiary ekranu; o parametry wyrzutni elektronowej (decydują o jakości rysowania); o zniekształcenia geometryczne (patrz rozdz. 3.1); o współczynnik odchylania (określany napięciem, które należy doprow a dzić do płytek odchylania pionowego lub poziomego, aby odchylić wiązkę 1 cm lub o 1 działkę na ekranie lampy); elektronową o o rodzaj luminoforu; o
m aksymalna częstotliw ość pracy (największa częstotliwość badanego syg nału, który może być oglądany na ekranie).
Oprócz jednostrumieniowych stosuje się również inne rodzaje lamp oscylo skopowych, np.: o wielostrumieniowe (rzadko stosowane); o z rozdzielonym strumieniem; o pamiętające — zwane m em otronami, których szczególną konstrukcją jest lampa ze zmiennym czasem poświaty.
3.7. Kineskop kolorowy K ineskop, będący szczególnym rodzajem lam py obrazow ej, służy do syntetyzow ania o b razu , składającego się z pojedynczych p u n k tó w . Kine skop kolorowy (zwany również kineskopem maskowym) jest zbudowany z: o trzech wyrzutni (dział) elektronowych, odpowiednio położonych między sobą; o układu odchylającego trzy wiązki elektronowe; 46
o maskownicy i ekranu, pokrytego trzema luminoforami o różnych barwach świecenia. W yrzutnie elektronowe są umieszczone w wierzchołkach trójkąta równo bocznego (kineskop A — rys. 3.12«) lub w jednej linii (kineskop IL — rys. 3.12/> lub PIL — rys. 3.12t\ lub trynitron). W yrzutnie elektronowe w kineskopie A są umieszczone pod małym kątem względem osi kineskopu (rys. 3.13). M askownica jest to cienka metalowa
Rys. 3.12. Rozmieszczenie dział elektronowych w szyjce kineskopu: a) A; /;) IL; c) PIL [4]
b) S1
S2
S3
A
Ekran magnetyczny ___
M askow nica
Ekran
Rys. 3.13. Położenie względem siebie dział elektronowych i tory wiązek w kineskopie: a) A; b) PIL; c) trynitron [4]
47
płyta z odpowiednio wyciętymi otworami. Otwory te mogą być okrągłe (kineskop A) lub w kształcie szczelin, krótkich i zaokrąglonych na końcach (kineskop IL), lub leż o wysokości ekranu (kineskop trynitron). N a ekran są nakładane trzy rodzaje luminoforu: 1 ) czerwony, 2 ) niebieski, 3) zielony. Pomiędzy poszczególnymi rodzajami luminoforów pozostawia się obszary wypełnione materiałem o dużym współczynniku pochłaniania światła, w celu polepszenia kontrastu obrazu. Zasadę działania kineskopu kolorowego przedstawiono na rys. 3.14. U for mowane w wyrzutniach elektronowych wiązki są odchylane za pomocą jed nego zespołu odchylającego i każda z nich pobudza określony rodzaj luminoforu (zapewnia to maskownica umieszczona przed ekranem).
Rys. 3.14. Zasada działania kineskopu; a) A; h) 1L; c) maskownica kineskopu trynitron [4]
Poszczególne barwy na ekranie powstają w wyniku zmieszania w odpowied nich proporcjach trzech tzw. podstawowych kolorów: czerwonego (R — ang. Recł), zielonego (G — ang. Green) i niebieskiego (B — ang. Blue). Najważniejszymi parametrami kineskopu są: o jaskrawość; o kontrast (stosunek luminancji najjaśniej świecącej części ekranu do luminancji niepobudzonej części ekranu); o zakres barw (kineskop odtwarza barwy z obszaru trójkąta — rys. 3.15); o rozdzielczość (maksymalna liczba par linii odtwarzanych na ekranie). 48
1,0
y 520
Q8 510
( Barwa >s\ 5 4 0 zielona
X '$ \ 5 l
>0
Q6 500
0,4
Rys. 3.15. Barwy odtwarzane w kineskopie kolorowym [4] W podkowie znajdują się barwy występujące w przyrodzie. W trójkącie znajdują się barwy odtwarzane przez kineskop kolorowy. Licz bami /, II, III , IV są oznaczone barwy białe, tylko jedna z nich od twarza kineskop. Od rodzaju kine skopu zależy, z którego trójkąta będą odtwarzane barwy
/ / / // i /
ll ac ls ta \\3 01 \s
'
00
% > \6 2 0 \S 4 0 >690-
/ //» /oA0-
\ \
1 1/
\5 8 0
\%xCzerwona
/ /« ' .iv i' M
490\
^
\
r
\°ł // Ya \ J//
480
\ !§s
4?o\ 460
\V
^
380-410 °.2
0,4
0,6
K 0,9
Wadą kineskopu kolorowego jest jego bardzo mała jaskrawość i konieczność stosowania wysokiego napięcia anodowego (rzędu 20 27 kV). Produkuje się kineskopy o maksymalnym kącie odchylania 90° i 110°. Pytania kontrolne: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Spróbuj znaleźć podobieństwa optyki elektronowej i świetlnej. Z jakimi zjawiskami fizycznymi są związane błędy odwzorowania obrazu? Czym różni się soczewka elektronowa od zwierciadła elektronowego? Porównaj soczewkę przesłonową z katodową. W jaki sposób jest zbudowana wyrzutnia elektronowa i jaką pełni funkcję? Wymień różnice między układami odchylającymi elektrycznymi i magnetycz nymi? 7. Jakie zjawiska zachodzą w luminoforze i czym się one różnią? 8. Jak jest zbudowana lampa oscyloskopowa? 9. Od czego zależą parametry lampy oscyloskopowej? 10. Czym różni się kineskop A od kineskopu IL?
4
— P o d staw y e le k tro n ik i I
P R Z Y P O M N IJ S O B IE : Fizyka: Podział materiałów pod względem przewodnictwa, Pole elektryczne i magnetyczne. Siłę Lorentza, o Właściwości metali i dielektryków, o Pojęcie stanu równowagi termodynamicznej.
o
o
Chem ia: o
Budowę atomu oraz pojęcie powłoki elektronowej.
E lek tro te c h n ika : Pojęcia: pasmo podstawowe, pasmo przewodnictwa i pasmo zabronione, Półprzewodnik typu P i N. o Przepływ prądu w półprzewodniku, o Model pasmowy półprzewodnika.
o
o
4. P ółprzew odniki i zjawiska w nich zachodzące 4.1. Co to jest półprzewodnik? Półprzewodniki są materiałami powszechnie stosowanymi do produkcji ele mentów i układów elektronicznych. Każdy materiał (ciało stałe) ma pewną wartość rezystywności. W zależności od jej wartości (rys. 4.1) materiały dzielimy na metale i niemetale (dielektryk, półprzewodnik), różniące się właściwościami fizykochemicznymi. Różnica pomiędzy półprzewodnikiem a dielektrykiem jest umowna i dotyczy jedynie szerokości pasma zabro-
Prze wodniki i metale)
Półprzewodniki
5, C.u
Se
1g-15
Rys. 4.1. Rezystywność materiałów elektronicznych [6]
Iz o la to ry (d ie le k try k i) Mika
Bursztyn
10-w
10-5110510io1020p
nionego. Półprzewodniki mają pasm o zabronione o szerokości Wg mniej szej bądź równej 2 eV (rys. 4.2a), natom iast dielektryki — o szeroko ści większej niż 2 eY (rys. 4.2/;). E lek tro n o w o lt (eV) jest to energia, jak ą uzyskuje elektron w w yniku zm iany sw ojego potencjału o 1 V (1 eV = 1,602 x 10 - 1 9 J). Tem peraturowy współczynnik rezystancji półprze wodników przyjmuje wartość ujemną (wartość rezystancji maleje ze wzros tem tem peratury półprzewodnika), a metali — dodatnią. a)
b) Pasmo przewodnictwa
Pasmo przewodnictwa
Pasmo zabronione
l
Wg^ 2e V | Pasmo zabronione
,
Rys. 4.2. Model pasmowy: a) polprzewodnika; b) dielektryka [6]
/ '/■ - . Z/ '/;// * ■
/ Pasmo walencyjne - - ' ',V. ^
;
Powszechnie stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są: krzem i ger man (pierwiastki IV grupy układu okresowego Mendelejewa), arsenek galu, fosforek galu, arsenofosforek galu (związki pierwiastków III i V grupy). M ateriały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci m onokryształu, które go sieć krystaliczną przedstawiono na rys. 4.3«. Atomy w sieci są związane
a)
Rys. 4.3. Budowa sieci krystalicznej: a) monokryształu; b ) polikryształu; c) ciała amorficz nego [6]
wiązaniem kowalencyjnym. Oznacza to, że powłoki walencyjne (ostatnia orbita) tych atom ów zachodzą na siebie. W związku z tym elektrony walen cyjne sąsiadujących ze sobą atomów są jakby wspólne. Gdy zostanie zerwane wiązanie kowalencyjne, wówczas elektron staje się nośnikiem swobodnym, poruszającym się w krysztale. Wyrwanie elektronu z wiązania powoduje powstanie luki, którą nazywamy dziurą. •t*
51
4.2. P ó łp rze w o d n ik sam o istn y P ó łprzew odnik sam oistny jest to m o nokryształ p ółprzew odnika p o z b a w ionego defektów sieci krystalicznej i dom ieszek, czyli nie zawierający obcych atomów w sieci krystalicznej. Jeżeli elektron zaabsorbuje kwant promieniowania elektromagnetycznego, to może przejść z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. Taki proces nazywa się generacją pary elek tro n -d ziu ra (rys. 4.4). Liczba generowanych par — czyli ich koncentracja — jest tym większa, im jest węższe pasmo zabronione danego półprzewodnika oraz im tem peratura m onokryształu jest wyższa. Po pewnym czasie pobudzony elektron powraca do stanu podstaw o wego z wyemitowaniem kwantu promieniowania. Taki proces nazywamy rek o m b in acją lub rekombinacją promienistą (patrz rys. 4.4). Średni czas, jaki upływ a m iędzy procesem generacji a rekom binacji nazyw am y cza sem życia i danego nośnika (elektronu, dziury).
to
T>0K
0 'Rys. 4.4. Proces generacji i re kombinacji pary elektron-dziura
[1] IVv — wierzchołek pasm a podstawo wego, JVc — dno pasma przewodni ctwa, lVpr — energia wyjścia elektronu z półprzewodnika
1
1,5
2
1000/T-
Rys. 4.5. Zależność koncentracji samoistnej półprzewodnika od tem peratury [6]
Ponieważ w półprzewodniku samoistnym mamy do czynienia z generacją par elektron-dziura, w związku z tym koncentracja elektronów i dziur jest taka sama i nosi nazwę koncentracji samoistnej. Zależność koncentracji samoist nej od tem peratury przedstawia rys. 4.5, na którym jest również zaznaczona szerokość przerwy zabronionej danego półprzewodnika.
52
4.3. Półprzew odnik typu N i typu P (niesam oistny) O p ó łprzew odniku niesam oistnym m ów im y w ów czas, gdy w sieci krys talicznej m o n o k ry ształu zam iast ato m ó w pierw iastka m ateriału półprze w odnikow ego znajduje się inny ato m (np. w sieci krystalicznej krzemu znajduje się fosfor). Powstaje wówczas tzw. półprzew o d n ik dom ieszkow a ny, a ten inny atom nazywamy domieszką. Rozróżniamy dwa rodzaje do m ieszek: d o n o ro w ą i ak ceptorow ą. N a rysunkach 4.6 i 4.7 przedstawiono atom domieszki w sieci krystalicznej półprzewodnika i jego model pasmowy.
b)
E lektrony
I
4, Poziom donorowy
Łatw u do oderw ania tp ią ty ) elektron walencyjny atom u fosforu
Rys. 4.6. Sieć krystaliczna półprzewodnika typu N (a) i jego model pasmowy (b) [6] l¥ „ — energia poziomu donorowego, FFf — poziom samoistny
b)
Tu powstaje dziura
a) 3
Z*)5£(• a
l'o'\
Jonizacja boru . i generacja dziury
Dr t t \
») B * 3S(
Energia jonizacji
Brak czwartego elektronu d la m azania B -S i IU w aga: to n ie je s t dziura)
— Wt Paziom akceptorowy
- A A A A A A A A wA --- r---- 1— i--------------- z- ----------— D z iu ry niosące ła d u n k i dodatnie
Rys. 4.7. Sieć krystaliczna półprzewodnika typu P (a ) i jego model pasmowy (b ) [6] W a — energia poziomu akceptorowego
Półprzewodnik, w którego węzłach sieci krystalicznej znajdują się atom y V grupy układu okresowego {fosfor, arsen, antymon, bizmut) nazywa się półprzew odnikiem typu N (ang. Negative). Każdy atom domieszki ma pięć elektronów walencyjnych, z których cztery są związane z sąsiednimi atom ami krzemu. Piąty elektron jest wolny i może być łatwo oderwany od atom u domieszki — jonizując ją dodatnio. Elektron przechodzi wówczas do pasm a przewodnictwa półprzewodnika. Atomy domieszki w modelu pasmowym półprzewodnika znajdują się na tzw. poziomie donorowym , który występuje w pobliżu dna pasma przewodnictwa półprzewodnika (patrz rys. 4.66). 53
M ożna przyjąć, że w temperaturze pokojowej wszystkie atom y domieszki są zjonizowane. Zatem, koncentracja elektronów w półprzewodniku dono rowym jest równa sumie koncentracji atom ów domieszki (N D) i liczbie elektronów powstałych w wyniku generacji pary elektron-dziura. Natom iast koncentracja dziur jest równa liczbie elektronów powstałych w wyniku tej generacji. n„ = N D+ n,
p n = n.
Gdy półprzewodnik jest w stanie równowagi termodynamicznej, wówczas iloczyn koncentracji elektronów i dziur jest równy kwadratowi koncentracji samoistnej (n„p„ = n2i). Jeżeli koncentracja domieszki będzie dużo większa od koncentracji samoistnej danego półprzewodnika, to wówczas mamy do czy nienia z półprzewodnikiem donorowym silnie domieszkowanym, w którym n„ « N d,
p n » n2i/ND.
Półprzewodnik, w którego węzłach sieci krystalicznej znajdują się atom y III grupy układu okresowego (bor, aluminium, gal, ind) nazywa się półprzew od nikiem typu P (ang. Positive). Atom takiej domieszki ma trzy elektrony walencyjne, związane z sąsiednimi atom ami krzemu. Do wypełnienia czwar tego wiązania sąsiadującego krzemu, brakuje w sieci krystalicznej jednego elektronu i może on być łatwo oderwany od innego atom u krzemu. Przecho dzi on z pasma podstawowego półprzewodnika na poziom akceptorowy, jonizując tym samym ujemnie atom domieszki. Poziom akceptorowy znaj duje się w pobliżu wierzchołka pasma podstawowego półprzewodnika (patrz rys. 4.7/;). Koncentracja dziur w półprzewodniku akceptorowym jest równa sumie koncentracji atom ów domieszki (N A) i liczbie elektronów po wstałych w wyniku generacji pary elektron-dziura. N atom iast koncentracja elektronów jest równa liczbie elektronów powstałych w wyniku tej generacji. p P= N A + n,
np = n.
Gdy półprzewodnik jest w stanie równowagi termodynamicznej, wówczas iloczyn koncentracji elektronów i dziur jest równy kwadratowi koncentracji samoistnej (ppnp = n2). Jeżeli koncentracja domieszki będzie dużo większa od koncentracji samoistnej danego półprzewodnika, to wówczas mamy do czy nienia z półprzewodnikiem akceptorowym silnie domieszkowanym, w którym Pp ~ N a,
n p « n i!N a .
Z powyższych rozważań wynika, że koncentracje dziur i elektronów są różne dla półprzewodnika typu N i P. W związku z tym, nośniki o większej koncentracji będziemy nazywać nośnikam i większościowym i, a nośniki o mniejszej koncentracji — m niejszościowym i. Koncentracja nośników dla danego typu półprzewodnika zmienia się w funk cji temperatury. Zmiany te nie mają charakteru liniowego w całym zakresie 54
Rys. 4.8. Zależność koncentracji nośników od tem peratury [6] u, — wykres koncentracji samoistnej
tem peratury (0 -f- 600 K), co ilustruje rys. 4.8. W przedziale od 0 do około 150 K, wzrost koncentracji jest związany ze wzrostem liczby zjonizowanych atom ów domieszki (wzrasta energia cieplna sieci krystalicznej). Po zjonizowaniu wszystkich atom ów domieszki, koncentracja utrzymuje się na stałym poziomie. Po osiągnięciu przez półprzewodnik tem peratury ok. 450 K, kon centracja ponownie wzrasta, co jest wynikiem generacji termicznej par elektron-dziura (bezpośrednie przejście elektronu z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa). W tabeli 4.1. przedstawiono ważniejsze param etry elektrofizyczne podstaw o wych materiałów półprzewodnikowych.
T a b e l a 4.1 Podstawowe param etry materiałów półprzewodnikowych [6] Param etr
------— -—
M ateriał __
K oncentracja atom ów lub molekuł [m -3 ] Szerokość pasma zabronionego [eV]
Si
Ge
GaAs
5 • 1028
4,42- 10 28
2,21 • 102H
U
0,7
1,4
Koncentracja nośników samoistnych « ¿ [m -3 ]
1,45- I0 16
2 ,4 - 1019
1013
Ruchliwość (dla półprzewodnika samoistnego): [m2/(V -s)] elektronów /¡„ dziur ftp
0,13 0,05
0.39 0,19
0.86 0,025
Względna przenikalność elektryczna ¿y.v
11,7
16
12
W ytrzymałość na przebicie [V//nn]
30
8
35
55
4.4. Co dzieje się z nośnikiem w półprzewodniku? Jak wiadomo w półprzewodniku znajdują się wygenerowane pary elektron-dziura i nośniki swobodne, powstające w wyniku jonizacji atom ów domie szki. Jeżeli w jakim ś miejscu półprzewodnika zostanie wygenerowanych wię cej par (pary nadmiarowe), to będą one poddane procesowi dyfuzji. Koncen tracja tych par jest największa w miejscu generacji, a im dalej w głąb półprzewodnika, tym ta koncentracja maleje do wartości koncentracji samoi stnej. R uch nośników (par elek tro n -d ziu ra) z o bszaru o większej koncen tracji do o bszaru o mniejszej koncentracji nazyw am y dyfuzją. Jeżeli podczas dyfuzji nośnik zderza się z innym elektronem lub atomem sieci krystalicznej, to średnią drogę, jaką przebywa on między tymi zderzeniami, nazywamy drogą swobodną. Ilościowy opis procesu dyfuzji określa tzw. prąd dyfuzyjny, wyrażony wzorem dn I„ = qSD lt- — d.v
dla elektronów,
Ip— —qSD p-^-
dla dziur,
przy czym: D„, Dp — współczynnik dyfuzji par elektron-dziura; q — ładunek; S — powierzchdn dp nia, przez którą przepływa prąd, — i --------zmiana rozkładu koncentracji nosnikow. d.v d.Y
Odległość, przy której koncentracja nośników maleje e-krotnie, nazywa się drogą dyfuzji L n= ^JD,txn (dla elektronów); i„ — czas życia elektronów. Jeżeli na półprzewodnik będzie oddziaływało zewnętrzne pole elektryczne o natężeniu £, to nośniki będą poruszały się w kierunku działania tego pola. Taki ukierunkowany ruch nośników nazywamy prądem unoszenia i wyra żamy wzorem I„ = qSp„nE Ip —qSpvpE
dla elektronów, dla dziur,
przy czym ft„, ¡ip — ruchliw ość elektronów, dziur.
Między ruchliwością i współczynnikiem dyfuzji istnieje ścisły związek D/f.i = kT lq (wzór Einsteina), w którym: k — stała Boltzmanna, T — temperatura.
Wartosx ruchliwości zależy od: koncentracji domieszek (rys. 4.9a), tempera tury (rys. 4.9b) i natężenia pola elektrycznego (rys. 4.9c). Wyrażenie qnju„ lub (i) qpj.ip nazywamy konduktywnością danego typu półprzewodnika i ozna czamy symbolem
Rys. 4.9. Zależność ruchliwości nośników: a) od koncentracji domieszek; b) od tempe ratury; c) zależność prędkości unoszenia od natężenia pola elektrycznego [6] tin — ruchliwość elektronów, fip — ruchliwość
dziur. i’„ — prędkość unoszenia nośnika
c)
Rys. 4.10. Zależność konduktywności pół przewodnika od tem peratury [6] 1.2 — półprzewodnik niesamoistny, 3 — półprze wodnik samoistny
57
wzrostem tem peratury, oraz wraz ze wzrostem koncentracji domieszek. O d wrotnością konduktywności (1 ja ) jest rezystywność — p. Zależność rezystywności od koncentracji domieszek przedstawia rys. 4.11, a jej zmiany w funkcji tem peratury określa zależność p -A T * e * p ( i £ ) , przy czym: A, b — stale związane z rodzajem materiału, Wg — szerokość pasma zabronionego w półprzewodniku.
106
1
i
,7
---- 1— -t --- 1-----
_ Rezysłymosc krzemu samoistnego
2m
“NN \\
104
^1~gp P
Typ
III
102
Rt’zysti g er nanu
T-300K
X--stneg
P 1
i
Typ
10~2
Typ
P/
10'Ą 1010
1012
1014
101B
N -----
101B c m '3 1020
Rys. 4.11. Zależność rezystywności półprzewodnika od koncentracji domieszek [15]
Jeżeli w półprzewodniku występuje dyfuzja i unoszenie, to prąd przez niego płynący jest równy sumie prądów składowych prądu elektronowego i prądu dziuro wego / =
qSf.i„nE4- qSDndnjdx-\-qSppp E —qSDpdpjdx.
Oprócz prądów: dyfuzyjnego i unoszenia, w półprzewodniku powstaje rów nież prąd termokinetyczny. Jeśli w płaszczyźnie półp rzew o d n ik a w ystępu ją dw a strum ienie nośników przeciw nie skierow ane, to tw orzą one w łaś nie p rąd y term okinetyczne. Półprzewodnik, w którym przepływ prądu odbywa się w wyniku ruchu nośników większościowych i mniejszościowych nazywamy bipolarnym. Pół przewodnik, w którym za przepływ prądu są odpowiedzialne nośniki jednego rodzaju (elektrony lub dziury) nazywamy unipolarnym. 58
4.5. Zjawiska Halla i Gaussa Zjawiska Halla i Gaussa wskazują na wpływ pola magnetycznego na ruch nośników swobodnych, a tym samym na parametry materiału półprzewod nikowego. Jeżeli na nośnik — oprócz pola elektrycznego, powstałego w wy niku doprowadzenia napięcia z zewnątrz — działa pole magnetyczne, to tor tego nośnika zostaje odchylony pod wpływem tzw. siły Lorentza. Nośniki gromadzą się przy jednej krawędzi półprzewodnika, co prowadzi do powsta nia dodatkowego poprzecznego pola elektrycznego (rys. 4.12). Opisany proces określamy mianem zjawiska Halla.
Rys. 4.12. Z jaw isko H alla [15] Ux — napięcie zewnętrzne, Ix — prąd płynący przez pólprzewowodnik, w wyniku doprowadzenia na pięcia £/,, Ex — natężenie pola elektrycznego, £ v. — natężenie pola powstałego w wyniku działa nia na półprzewodnik pola magnetycznego o induk cji B: , a, b, c — wymiary półprzewodnika
t x Ix=acO¿
Natężenie powstałego pola Ey —R uJxB:, 3n
przy czym:
n l r —p
(„,)+())2
w spółczynnik H alla [cm3/C ], n i p — koncentracje elektronów
i dziur w półprzew odniku, b — p j f i ,,, J x — gęstość p rą d u płynącego przez półprzew odnik w w yniku przyłożenia z zew nątrz napięcia Ux, Bz — indukcja pola m agnetycznego.
Powstanie poprzecznego pola powoduje obrócenie wypadkowego pola elekt rycznego w półprzewodniku o kąt Halla (tg&—EyjE x). W artość i zwrot tego pola zależą od wartości współczynnika Halla, który z kolei zależy od kon centracji nośników i ich ruchliwości. Zjawisko Gaussa polega na zmianie (zwiększeniu) rezystywności półprzewo dnika pod wpływem działania pola magnetycznego. Zwiększanie się wartości rezystywności jest spowodowane wzrostem liczby zderzeń nośników, których prędkości różnią się od prędkości średniej. W wyniku działania poprzecznego pola, lory nośników zakrzywiają się w mniejszym bądź w większym stopniu, ponieważ pole to kompensuje działanie siły Lorentza tylko dla nośników o średniej prędkości. Jeżeli na półprzewodnik silnie domieszkowany działa pole magnetyczne o małej indukcji (pB<< 1), to zmiana rezystywności takiego półprzewodnika dana jest wzorem Ap Po
3k
U
(pB )2
0,38 (pB )2,
71
w którym p 0 jest rczystyw nością przy indukcji rów nej zero.
59
N atom iast gdy na półprzewodnik działa pole magnetyczne o dużym natęże niu, wówczas zmiana rezystywności jest określona wzorem Ap
AB2
~po~ 1 + i r B 2’ w którym A jest stalą, zależną od rodzaju półprzewodnika.
Pytania kontrolne: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
11.
12.
Co to jest półprzewodnik? Jaka jest różnica między półprzewodnikiem i dielektrykiem? Czym różni się półprzewodnik samoistny od domieszkowanego? Czy istnieje związek między czasem życia nośników a generacją i rekombina cją? Wymień różnice między półprzewodnikiem typu N i półprzewodnikiem typu P. Czym różni się prąd dyfuzyjny od prądu unoszenia? Jakie zjawiska zachodzą w półprzewodniku? Jakie czynniki i w jaki sposób wpływają na wartość rezystywności półprze wodnika? Na czym polega zjawisko Halla i zjawisko Gaussa? Wyznacz koncentrację dziur i elektronów w krzemie i germanie, jeśli koncent racja domieszki wynosi: a) 1023 itT 3; b) 102,) m “ 3; c) 5 x 1 0 21 itT 3. Jakie wnioski można wysunąć na podstawie uzyskanych wyników? Oblicz konduktywność krzemu i germanu, jeżeli koncentracja domieszek w y nosi: a) 5 x 1020 m~3; b) 1021 m~3; c) 1022 m '3. Jakie wnioski można wysnuć na podstawie uzyskanych wyników? Oblicz drogę dyfuzji nośników w krzemie i germanie, jeśli ich czas życia wynosi: a) 10-6 s; b) 8 x 1 0 ~ 5 s: c) 2 x 1 0 -0 s. Jakie wnioski można wysnuć na podstawie uzyskanych wyników?
P R Z Y P O M N IJ S O B IE : M a te m a ty k a : o Pojęcie logarytmu.
Elektronika: W pływ temperatury na rezystywność półprzewodnika (rozdz. 4.4). o Na czym polega zjawisko Halla i zjawisko Gaussa (rozdz. 4.5.). o
5.
P ó łp rze w o d n ik o w e elem en ty bierne
5.1. Termistory T erm isto r jest elem entem półprzew odnikow ym , k tórego rezystancja za leży od tem peratury. Zm iana wartości rezystancji może nastąpić na skutek wzrostu tem peratury otoczenia term istora lub (i) wydzielanego w nim ciepła. W zależności od charakteru tej zmiany rozróżniamy termistory o ujemnym (N T C — ang. Negative Temperature Coefficient) i dodatnim (PT C — ang. Positive Temperature Coefficient) współczynniku tem peraturowym rezystancji oraz o skokowej zmianie rezystancji (C T R — ang. Critical Temperature Resistor) — rys. 5.1.
N 5? 1000
,
i i
100 50
i 10 5
\
Tc \
i' \ > 20 30 40
Rys. 5.1. Charakterystyki rezystancyjno-temperaturowe termislorów [2]
50 60
10 °C
90
Rys. 5.2. Wyznaczanie temperatury krytycznej termistora (2]
/ — term istora NTC, 2 — term istora PTC, .? — term istora CTR
61
Najważniejszymi param etram i term istora są: o rezystancja nom inalna (wartość rezystancji term istora w tem peraturze 25°C; wynosi ona od pojedynczych omów do kilku megaomów); o temperaturowy współczynnik rezystancji (ay-= — Wgj2kT 2). Dla termistorów CTR podaje się tem peraturę krytyczną Tc —(TP+ T k)j2, przy której następuje skok wartości rezystancji (rys. 5.2), oraz tzw. param etr 0 = \g(RTp/ R Tk). Na przykład termistory N TC mają następujące parametry: o rezystancja
nom inalna wynosi od 2,2 Q do 470 kil;
2
o tolerancja, w zależności od sposobu
wykonania term istora, + 10% lub ± 2 0 % ;
wynosi
o tem peraturowy współczynnik rezys 3
20
AD
60
rnA
BO
Rys. 5.3. Charakterystyki napięciowo-prądowe termistorów [2] / — term istora NTC, 2 — termistora PTC. 3 — term istora CTR
tancji, określony w temperaturze 25°C, wynosi od —4,85 do —3% /K z tolerancją +5% (termistor NTC501 ma tolerancję ± 2 % ); o dopuszczalna moc, która zależy od wykonania term istora, wynosi od 4,5 do 1500 mW.
Charakterystykę napięciowo-prądową termistora przedstawiono na rys. 5.3. Termistory są to elementy wykonane ze spieków sproszkowanych tlenków takich metali, jak np.:miedź, glin,żelazo, mangan, kobalt. Stosuje się je: o do pomiarów: tem peratury m etodą oporową, mocy w zakresie mikrofal, ciśnienia gazów, poziomu cieczy; o w układach sygnalizacji, regulacji i stabilizacji temperatury; o do kompensacji temperaturowej układów elektronicznych.
5.2. W arystory W arystory są to rezystory w ykonane z półprzew o d n ik a, k tórych rezys tancja zależy od napięcia d o p ro w ad zo n eg o do ich zacisków (maleje ze wzrostem wartości napięcia). W arystory mają nieliniową charakterystykę napięciowo-prądową — rys. 5.4 (wartość prądu nie zależy od kierunku przyło żonego napięcia), którą określa wzór U = D I$ , w którym: U — napięcie doprow adzone do warystora, / — prąd płynący przez warystor, D — rezystancja, której wartość jest równa spadkowi napięcia na warystorze w wyniku prze pływu prądu stałego o wartości l A, Ji — współczynnik nieliniowości.
62
Param etram i charakterystycznymi warystora są: o współczynnik nieliniow ości — /?, wy znaczany na podstawie pom iaru spad ków napięć (t/j, U2), wywołanych róż nymi prądam i (/,, /2), \gUt - \ g U 2 J g U r / U , ^ 1
lg /,- lg U
lgh / h ’
jeżeli I J I z = \0, to /? = lg — ; U2 Rys. 5.4. Charakterystyka napięciowowartość fi zależy od m ateriału i tech -prądowa warystora [15] nologii wykonania warystora; o napięcie charakterystyczne — spadek napięcia na warystorze, określany dla stałej wartości prądu płynącego przez niego; o m oc znam ionowa. W tabeli 5.1 przedstawiono dwa typy warystorów i ich najważniejsze parametry.
T a b e la
5.1
Parametry warystorów Parametr
P
moc znamionowa [W]
napięcie charakterystyczne [V]
walcowy
0,18*0,25 lub 0,14*0,21
0,8
470*1300
dyskowy
0,18*0,25 lub 0,14*0,22
0,5
do 100
W arystor
W arystory są wykonywane najczęściej jako spiek węglika krzemu (karborund) o kształcie walcowym i dyskowym. Do ich cechowania najczęściej używa się kodu barwnego. W arystory są stosowane przede wszystkim jako ograniczniki napięcia (w układach zabezpieczających przed przepięciami lub do zabezpieczania sty ków), jako elementy stabilizujące napięcie, w filtrach, w układach przetwor ników częstotliwości.
5.3. H allotrony H a llo tro n jest elem entem półprzew odnikow ym w ykorzystującym zjaw is ko H alla, zw any jest on także generatorem H alla lub czujnikiem H alla. Zasadę jego działania przedstawiono na rys. 5.5. Przez płytkę półprzewod63
Rys. 5.5. Zasada działania hallotronu [2] E — napięcie zewnętrzne, I x — prąd płynący w wyniku przyłożonego napięcia zewnętrznego, B: — indukcja pola magnetycznego, /, 2 , 3 , 4 — wyprowadzenia
nika (między elektrodą 1 i 2) płynie prąd sterujący Ix. W wyniku działające go na nią prostopadłego pola magnetycznego o indukcji B:, między elektro dą 3 i 4 powstaje napięcie Halla. Do charakterystyk statycznych hallotronów należą: o charakterystyka wyjściowa (zależność napięcia wyjściowego od prądu wyj ściowego) — rys. 5.6a;
Rys. 5.6. Charakterystyki statyczne hallotronu: go; c) oddziaływania pola magnetycznego [15]
64
a) wyjściowa; b)
oddziaływania prądu sterujące
o charakterystyka oddziaływania prądu sterującego (zależność napięcia wyj ściowego od prądu sterującego) — rys. 5.6/;; 0 charakterystyka oddziaływania pola magnetycznego (zależność napięcia wyjściowego od indukcji magnetycznej) — rys. 5.6c. Czułości hallotronów prądow ą i połową wyznaczają odpowiednio: stopień oddziaływania prądu sterującego i pola magnetycznego na napięcie wyjścio we. Hallotrony są wykonywane z mono- i polikryształu półprzewodnikowego lub w postaci cienkiej warstwy naniesionej na mikę lub szkło. M ateriałami naj częściej stosowanymi są: krzem, german, arsenek lub antymonek indu, tellurek lub selenek rtęci. Hallotrony stosuje się między innymi w: podzespołach biernych do pom iaru natężenia pola magnetycznego, układach współpracujących z magnesami trwałymi do pom iaru regulacji i stabilizacji pola magnetycznego, przesunięć mechanicznych, żyratorach, detektorach fazy, analizatorach harmonicznych oraz jako wyłączniki bezkontaktowe.
5.4. Gaussotrony G a u sso tro n nosi nazw ę m ag n eto rezy sto ra, a jego działanie opiera się na zjaw isku G aussa. M ateriałami stosowanymi do produkcji gaussotronów są półprzewodniki o dużych ruchliwościach nośników (arsenek galu, tellurek rtęci, arsenek indu, antymonek indu). Są one wykonywane w podobny sposób jak hallotrony. G aussotrony są stosowane przede wszystkim w autom atyce przemysłowej 1 do pom iaru silnych pól magnetycznych. Pytania kontrolne: 1. 2. 3. 4.
Czym różni się termistor NTC od PTC? Jaka jest różnica między termistorem a warystorem? Porównaj zasadę działania hallotronu i gaussotronu. Gdzie są stosowane hallotrony, a gdzie gaussotrony?
5 — P o d staw y e le k tro n ik i I
PRZYPOMNIJ SOBIE: Fizyka: o Na czym polega proces dyfuzji.
E lektronika: o o o o
Co to jest półprzewodnik typu N i typu P (rozdz. 4.3). Jakie rodzaje nośników występują w półprzewodniku (rozdz. 4.3). Na czym polega proces unoszenia (rozdz. 4.4). Co to jest prąd termokinetyczny (rozdz. 4.4).
6. Złącze PN 6.1. Rodzaje złączy Połączenie się dw óch kryształów (m onokryształów ) ciała stałego (pół przew odnik, m etal) w ten sposób, że tw orzą one ścisły k o n ta k t nazyw a my złączem . Złącza mogą być następujące: metal-metal, półprzewodnik-półprzewodnik, dielektryk-dielektryk, metal-półprzewodnik oraz dielektryk-pólprzewodnik. W elektronice najczęściej są wykorzystywane złącza metal-pół przewodnik i półprzewodnik-półprzewodnik. Te ostatnie mogą być wykony wane jako heterozłącza (złącze powstałe w wyniku połączenia m onokryształu krzemu i germanu) lub homozłącza (złącze wykonane w jednym monokrysz tale półprzewodnika, przy czym obszary złącza mają różne koncentracje domieszek), czyli złącze powstałe w wyniku połączenia półprzewodnika typu N i typu P (złącze PN).
6.2. Tw orzenie się w a rs tw y zaporow ej w złączu PN. M odel pasm owy złącza W momencie zetknięcia się półprzewodnika typu P i typu N, w wyniku procesu dyfuzji popłyną prądy termokinetyczne. Elektrony (nośniki więk szościowe) będą przechodziły z półprzewodnika typu N do P, natom iast dziury (też nośniki większościowe) — z P do N. N a skutek dyfuzyjnego przepływu nośników, w obszarze przyzłączowym (obszar styku półprzewod nika P i N) tworzą się nieskompensowane ładunki (w półprzewodniku typu N — ładunek dodatni, a w półprzewodniku typu P — ładunek ujemny). W związku z tym, w obszarze złącza (w wyniku dyfuzji) powstaje różnica potencjałów, która tworzy barierę energetyczną (napięcie na barierze nosi nazwę napięcia dyfuzyjnego .— U d). Bariera przeciwdziała dalszej dyfuzji 66
nośników większościowych. Powstała w ten sposób warstwa jest nazywana często warstwą zaporow ą lub warstwą ładunku przestrzennego, ewentualnie warstwą zubożoną. N atom iast obszary półprzewodnika typu N i P, objęte obszarem warstwy zaporowej — nazywa się obszarami przyzłączowymi. M o del pasmowy złącza przedstawiono na rys. 6.1. Szerokość warstwy zaporowej zależy od wartości napięcia dyfuzyjnego i koncentracji domieszek w obu obszarach półprzewodnika (NA, N D), jak również od tego, czy złącze jest liniowe, czy też skokowe. a)
b)
wk
Rys. 6.1. Model pasmowy złącza przed utworzeniem (a) i po utworzeniu (h) [6] N, P — typ półprzewodnika, Wy — wierzchołek pasma podstawowego, IVC — dno pasm a przewodnictwa, Wi- — poziom Fermiego, iV, — poziom samoistny, /j — szerokość warstwy zaporowej, Ua — napięcie dyfuzyjne
6.3. Polaryzacja złącza 6.3.1. Polaryzacja złącza w kierunku przewodzenia Przez pojęcie polaryzacji rozumiemy stan, jaki następuje w złączu pod wpły wem przyłożenia z zewnątrz różnych potencjałów do obydwu obszarów półprzewodnika. Jeżeli do p ó łp rzew odnika typu P przyłożym y potencjał d o d a tn i, a do p ó łp rzew odnika typu N — potencjał ujem ny, to m ów im y, że złącze jest spolaryzow ane w k ieru n k u przew odzenia. Powstała bariera energetyczna, zmniejszona o wartość napięcia zewnętrznego U f = U d — U, przy czym: U — napięcie zewnętrzne, Ud — napięcie dyfuzyjne.
Na rysunku 6.2. przedstawiono przepływ prądów w złączu spolaryzowanym w kierunku przewodzenia. Rozpatrzmy to na przykładzie przepływu elektro nów przez złącze. Elektrony przechodzą z kontaktu do obszaru półprzewod nika typu N, gdzie zaczynają poruszać się w stronę złącza (brzegu warstwy zaporowej). Ilościowo opisuje to prąd unoszenia. Praktycznie całe napięcie przyłożone do złącza odkłada się w warstwie zaporowej. W związku z tym na elektron, znajdujący się w pobliżu złącza, działa duża siła umożliwiająca swobodne przejście nośnika przez warstwę zaporową. Prąd unoszenia prze5‘
67
Rys. 6.2. Przepływ prądów w złączu spolaryzowa nym w kierunku przewodzenia [1] IVyP, WvN — wierzchołek pasma podstawowego w pół przewodniku typu P i N, lV cr . Wcn — dno pasm a przewo dnictwa w półprzewodniu typu P i N, IV w . W■ / t-s — po ziom Fermiego w półprzewodniku typu P i N, U — napię cie przykładane do złącza, R — rekombinacja
D, Dn I = q S n p— +Pn - r
kształca się w prąd termokinetyczny, czyli przechodzącym elek tronom w jednym kierunku złą cza, towarzyszy przejście dziur w kierunku odwrotnym. Po przejściu przez warstwę zaporo wą elektron z nośnika większoś ciowego staje się nośnikiem mniejszościowym. Po drugiej stronie warstwy zaporowej każ dy elektron tworzy z dziurą parę elektron-dziura, a prąd termokinetyczny przekształca się w prąd dyfuzyjny. W wyniku dyfuzji, pary elektron-dziura przechodzą w głąb półprzewodnika typu P. Do czasu rekombinacji pary, płynie prąd dyfuzyjny, który sta je się następnie prądem unosze nia. W analogiczny sposób od bywa się ruch dziury od kontak tu przez obszar półprzewodnika typu P, przez warstwę zaporową i półprzewodnik typu N. Całkow ity prąd płynący przez złącze
[ e x p ( q U /k T ) -\]
jest prądem nośników większościowych.
6.3.2. Polaryzacja złącza w kierunku zaporow ym O polaryzacji złącza w kierunku zaporowym m ówim y wtedy, kiedy do półprzewodnika typu N przyłożym y potencjał wyższy (plus), a do pół przewodnika typu P — niższy (minus). Bariera energetyczna tego złącza, zwiększona o wartość napięcia zewnętrznego u R = u + u D. N a rysunku 6.3 przedstawiono model przepływu prądu w złączu spolaryzo wanym w kierunku zaporowym. Przepływ prądu rozpatrzm y na następują cym przykładzie. W pobliżu warstwy zaporowej półprzewodnika typu P, elektron absorbuje kwant promieniowania elektromagnetycznego, następuje 68
Rys. 6.3. Przepływ prądów w złączu spolaryzowanym w kierunku zaporowym [1] U — napięcie przykładane do złącza, G — generacja
generacja termiczna pary elektron-dziura. Para ta jest transportow ana na brzeg warstwy zaporowej przez prąd dyfuzyjny. Całe napięcie przyłożone do półprzewodnika odkłada się w warstwie zaporowej, na elektron w parze działa więc duża siła, powodując jej rozerwanie. Elektron przechodzi wów czas swobodnie przez warstwę zaporową (prąd dyfuzyjny zamienia się w prąd termokinetyczny) i z nośnika mniejszościowego staje się większoś ciowym. Po drugiej stronie warstwy zaporowej, elektron, jako nośnik swobo dny, porusza się w stronę kontaktu. Prąd termokinetyczny przekształca się w prąd unoszenia. Dziura, która została w półprzewodniku typu P, staje się nośnikiem większościowym (nadmiarowym), dostarczanym do kontaktu przez prąd unoszenia. Całkowity prąd płynący przez złącze D„ Dp I = q S np-7~+Pn~r~ [e x p (< /i//k r)-l] Ln L pJ jest prądem nośników mniejszościowych. Wzór na całkowity prąd płynący przez złącze w kierunku przewodzenia i zaporowym jest taki sam, a więc jest to wzór ogólny. Wykreślenie tej 69
I
Rys. 6.4. C harakterystyka prądowo-napięciowa złącza PN [1] Kierunek przewodzenia
U Kierunek zaporowy
P rąd nasycenia
zależności w układzie współrzędnych daje tzw. charakterystykę prądowo-napięciową złącza, przedstawioną na rys. 6.4. Przy dużych wartościach napięcia wstecznego, wzór na całkowity prąd w złą czu sprowadza się do postaci
i jest określany jako prąd nasycenia złącza. Prąd ten jest tym mniejszy, im jest szersze pasmo zabronione danego półprzewodnika. W artość prądu nasyce nia jest około trzy rzędy wielkości mniejsza od wartości prądu przewodzenia.
6.4. Przebicie złącza Przebicie oznacza zniszczenie lub trw ałe uszkodzenie złącza pod w pły wem gw ałtow nego w zrostu p rą d u , przy polaryzacji złącza w k ieru n k u zaporow ym . Napięcie, przy którym zachodzi przebicie złącza, nazywamy napięciem prze bicia. Przebicie to może nastąpić w wyniku zjawiska Zenera lub powielania lawinowego. Z jaw isko Z enera w ystępuje w złączach o w ąskiej w arstw ie zaporow ej lub silnie dom ieszkow anych. Istota tego zjawiska jest przedstawiona na rys. 6.5. W modelu pasmowym złącza spolaryzowanego zaporowo, dno pasma podstawowego półprzewodnika typu P znajduje się powyżej poziomu energetycznego pasma przewodnictwa półprzewodnika typu N. Jeżeli elektron zostanie uwolniony z wiązania kowalencyjnego w półprzewodniku typu P, to może on przejść poprzez barierę energetyczną do półprzewodnika typu N, nie mając energii większej od energii tej bariery. Takie przejście elektronu nazywamy tunelowym. W wyniku tego zjawiska gwałtownie zwiększa się prąd wsteczny złącza. Zjawisko Zenera w złączach krzemowych występuje przy napięciach mniejszych niż 5 V. 70
Jeżeli złącze spolaryzujem y napięciem większym niż 7 V, to m am y wów czas do czynienia ze zjaw iskiem pow ielania law inow ego (law inow a jo n i zacja zderzeniow a). Jonizacja zderzeniowa może wystąpić tylko w tych złączach, których szerokość warstwy zaporowej jest dużo większa od drogi swobodnej nośnika. Istotę tego zjawiska przedstawiono na rys. 6.6. Powiela nie lawinowe następuje w obszarze warstwy zaporowej. Swobodny nośnik, który znajdzie się w tej warstwie, jest rozpędzany w silnym polu elektrycz nym, zderza się z innym elektronem w sieci krystalicznej i wybija go. W wy niku takiego zderzenia powstaje para elektron-dziura, która jest natychmiast rozdzielana w silnym polu elektrycznym, tworząc dodatkow o dwa swobodne nośniki. Poruszając się w polu, nabierają one wystarczającej energii do kolejnej jonizacji. W taki sposób dochodzi do powielania lawinowego. Iloś ciowo zjawisko to jest opisywane przez w spółczynnik pow ielania law ino wego — M , określany jako stosunek liczby nośników opuszczających warst wę zaporow ą do liczby nośników wchodzących do niej. W artość napięcia przebicia lawinowego zależy od stopnia domieszkowania: im jest większy poziom domieszkowania, tym jest mniejsza wartość napięcia przebicia. Zja wiska: Zenera i lawinowe w swej istocie nie niszczą trwale złącza, ale długo trwały przepływ prądu o dużej wartości prowadzi do wydzielania się dużej ilości ciepła, które powoduje trwale uszkodzenie złącza.
Un-U
+
Rys. 6.5. Zjawisko Zenera: ci) złącze przed spolaryzowaniem; b) złącze po spolaryzowaniu [6]
71
6.5. Zjawisko tu n elo w e Z jaw isko tunelow e w ystępuje w złączach b ard zo silnie dom ieszkow a nych, przy polaryzacji złącza w k ieru n k u przew odzenia (rys. 6.7). W mo delu pasmowym, dno pasma podstawowego półprzewodnika typu P jest powyżej wierzchołka pasma przewodnictwa półprzewodnika typu N. To umożliwia przejście tunelowe nośników z jednego półprzewodnika (P) do drugiego (N), a utrudnia przejście w przeciwną stronę nawet przy bardzo małym napięciu polaryzacji. Początkowo, wzrost napięcia polaryzującego złącze w kierunku przewodzenia powoduje wzrost prądu w złączu (odci nek 2). Przy dalszym zwiększaniu napięcia przewodzenia, prąd tunelowy maleje do zera, ponieważ podnosi się poziom Wc w półprzewodniku ty pu N — maleje napięcie na warstwie zaporowej. Coraz mniej nośników może przepływać z obszaru P do N pod wpływem zjawiska tunelowego. W związku z tym zjawiskiem, na charakterystyce prądowo-napięciowej po wstaje odcinek o ujem nej rezystancji dynam icznej (rys. 6.8, odcinek 3).
Rys. 6.7. Zjawisko tunelowe: a) złącze przed spolaryzowaniem; h) złącze po spolaryzowaniu
Rys. 6.8. C harakterystyka prądowo-napięciowa złącza PN ze zjawiskiem tunelo wym [1] I — charakterystyka prądowo-napięciowa złą cza PN, 2 — prąd tunelowy, 3 — odcinek charak terystyki o ujemnej rezystancji
72
6.6. Schem at zastępczy i param etry złącza PN 6.6.1. Pojemności złącza Schemat zastępczy złącza uwzględnia zjawiska w obszarach przyzłączowych i warstwie zaporowej, zachodzące w wyniku zmian wartości napięcia przyło żonego do złącza. Zjawiska te decydują o szybkości działania złącza. Gwałtowna zmiana napięcia przykładanego do złącza powoduje zwężenie bądź rozszerzenie warstwy zaporowej, a co za tym idzie, zmianę liczby magazynowanych par elektron-dziura. W schemacie zastępczym jest to re prezentowane przez pojem ność dyfuzyjną — Cj. Rozważmy teraz, co bę dzie się działo, gdy zwiększy się częstotliwość zmieniającego się napięcia. Przy małych częstotliwościach (okres przebiegu dużo dłuższy od czasu życia nośników mniejszościowych), magazynowane pary elektron-dziura są d opro wadzane lub dostarczane wraz ze zmianami napięcia (rys. 6.9). Jeżeli zwięk szy się częstotliwość sygnału (okres przebiegu porównywalny z czasem życia nośników), to przy polaryzacji wstecznej nie wszystkie pary elektron-dziura nadążą za zmianami napięcia, a więc przez złącze w kierunku zaporowym popłynie prąd większy od prądu nasycenia złącza Is (rys. 6.9/j, c , d). Z po wyższych rozważań wynika, że pojemność Cj wprowadza duże ograniczenia w szybkim przełączaniu złącza.
Rys. 6.9. Wpływ zmian częstotliwości napięcia przykładanego do złącza na jego pracę: a) napięcie przykładane do złącza; b), c) wpływ pojemności Cd ze wzrostem częstotliwości napięcia; d) złącze zachowuje się jak kondensator Us — spadek napięcia na złączu związany z przepływem prądu Is
73
Rys. 6.10. Zależność pojemności dyfuzyjnej C,j i pojemności warst wy zaporowej Cr od napięcia po laryzacji złącza PN [I]
Zastanówmy się, co dzieje się w warstwie zaporowej w wyniku zmieniającego się na pięcia. Jak wiemy, w warstwie tej znajdują się swobodne nośniki, które w schemacie zastępczym reprezentuje pojem ność war stwy zaporowej — CT■ W raz ze zmianami napięcia zmienia się szerokość warstwy za porowej i natężenie pola w złączu. Zwiększa się ilość swobodnych nośników, a więc zmienia się pojemność warstwy zaporowej. Zmiany obu pojemności w zależności od napięcia polaryzacji ukazano na rys. 6.10.
6.6.2. Konduktancja i rezystancja złącza Zastanówmy się, czy złącze PN przedstawia sobą jakąś rezystancję. M ateriał półprzewodnikowy ma pewną rezystywność (patrz rozdz. 4.5), a więc obszary półprzewodnika typu P i N mają pewne rezystancje, których wartość /•= pw/S, przy czym: p — rezystywność obszaru półprzewodnika, ir — długość tego obszaru. S — powie rzchnia półprzewodnika.
W schemacie zastępczym (rys. 6.11) uwzględniamy tylko rezystancję obszaru słabiej domieszkowanego i oznaczamy ją symbolem rb. Znajdujący się na schemacie symbol g określa tzw. konduktancję różniczkową złącza, która
Rys. 6.11. Schemat zastępczy złącza p-n sta nowiącego diodę fl]
Rys. 6.12. Sposób wyznaczania konduktancji złącza PN [1]
C r — pojemność warstwy zaporowej, Cd — po jem ność dyfuzyjna, g — konduktancja złącza, /'i, — rezystancja obszaru słabiej domieszkowanego, ¿o — indukcyjność doprowadzeń, Co — pojem ność oprawki
Q — punkt pracy, I 0, U(, — prąd i napięcie w punkcie pracy, / m‘ Uni — am plituda prądu i napięcia
74
ilustruje zmiany prądu w funkcji napięcia. Wartość ta jest określana dla składo wej zmiennej napięcia wejściowego o małej amplitudzie (£/,„< k77g = 26 mV) — rys. 6.12. Przy takiej wartości amplitudy, można uznać, że zmieniający się punkt pracy O złącza porusza się po linii prostej o nachyleniu a. Zatem, konduktancję złącza można określić wzorem dl
g = tg a= — L ° d U /=/«.
I r '-
w którym /„ jest prądem płynącym przez złącze w punkcie pracy Q.
6.7. Przełączanie złącza PSS! (diody) Na podstawie pełnego schematu zastępczego diody (uwzględniającego pojem ności), będącego rozszerzeniem schematu liniowego, można przeanalizować przełączanie złącza PN stanowiącego diodę (rys. 6.13). Proces przełączania diody zachodzi przy zm ianie napięcia generatora z wartości - E R na +Er i odwrotnie. Omawiane zjawiska są zauważalne przy bardzo szybkim narastaniu i opadaniu przebiegu napięcia wejściowego (np. napięcia prostokątnego o częstotliwości / = 50 MHz). Jeżeli efi = - E l(, to dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym i prąd przez nią nie płynie (/ = 0, u = ~ E n). W momencie zmiany napięcia na genetatorze (czas /,), dioda zmienia polaryzację. Prąd płynący przez diodę rośnie skoko wo do wartości i = I m=(Ef +Er )/R, a potem maleje wykładniczo do wartości / F ~ ( E f - U F )lR, ładując pojemność złączową C diody (czas t2). W tym czasie napięcie na diodzie rośnie wykładniczo do wartości UF. Różnica między czasem t2 i /, jest określana jako czas włączania diody td = RC ln[(Ef + E r )/(E f - U f )1 Cykl wyłączania diody rozpoczyna się w chwili f3. Przez diodę płynie prąd / R = ( E r + U f ) /R do czasu, kiedy napięcie na diodzie nie osiągnie wartości równej zeru (czas /.,) — co odpowiada usuwaniu ładunków nadmiarowych. Następnie wartość prądu diody maleje do zera, a napięcie dąży do wartości - E n (czas /5); kończy się cykl wyłączania diody. Czas wyłączania diody tir
^5
^3
t r \ Jr ^rl»
przy czym: ¡rl = t, łn( 1 + IF / / w), tr2 = 2,3RC, t, — czas przelotu nośników przez złącze.
Przykład D ioda m a następujące param etry: t, = 2,5 ns, C = 3 pF, Ur = 0,7 V, EF = 4 V, E,{ = 2 V, a rezystancja w obw odzie R = 1 2 k H . C zas w łączania tej diody będzie u'ynosił 21,5 ns, a czas w yłączania — 85 ns.
75
a) ea It)
b)
\7 u
Rys. 6.13. Przełączanie diody: a) schemat obwodu; b) przebiegi cza sowe [9] c„ — napięcie z generatora przełączające diodę, i, u — przebiegi prądu i napięcia na diodzie w czasie przełączania, u — czas włączenia diody, t „ — czas wyłączania
diody
Pytania kontrolne: 1. Co to jest złącze? Jakie znasz rodzaje złączy? 2. Jaki jest związek warstwy zaporowej z ładunkiem przestrzennym? 3. Czym różni się polaryzacja złącza w kierunku pzewodzenia od polaryzacji w kierunku zaporowym? 4. Od czego zależy wartość prądu płynącego przez złącze7 5. Czym różni się prąd przewodzenia od prądu nasycenia? 6. Jakie zjawiska są związane z przebiciem złącza? 7 Jakie są różnice między zjawiskiem Zenera, tunelowym i lawinowym? 8. Od czego zależą parametry złącza? Czym różni się pojemność złączowa od dyfuzyjnej? 9 Wyjaśnij na czym polega proces przełączania złącza.
76
10. Oblicz w artość napięcia dyfuzyjnego złącza skokow ego w ykonanego z krze mu lub germanu, jeżeli koncentracja domieszek w ynosi: a) b) c) d)
A/^ = 2 x 1022 m -3 , N a = 1021 m ~3. N A= N n = 1022 m -3 , N a = 10 23 m " 3.
/Vo = 1 0 22 m “ 3; /V0 = 5 x 1022 m ~3; N o — 1021
m “ 3.
Zastosuj w zór U D = U T ^ ( N AN D/ n r ) . 11. Oblicz szerokość w arstw y zaporowej dla danych z zadania poprzedniego, wiedząc że ld = y/2 F nr.0 ( N D + N A) (iJ D - U ) / q N DN A. 12. Oblicz w artość prądu nasycenia złącza dla danych z zadania poprzedniego izadania 12 z rozdz. 4. 13. Oblicz natężenie prądu płynącego przez złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia i zaporowym , przyjmując dane z zadania poprzedniego i w a rto ści napięć: a) 1 V; b) 10 V; c) 100 V. 14. Oblicz a) r,= b) tt= c) tt =
czasy przełączania diody przy /? = 1 5 kft, gdy: 2 ns, U F = 0.6 V, E F = 4 V, 1 ns, ¿yF = 0,65 V, £,, = 4 V. 0,5 ns, U F = 0.5 V, E F = 4 V,
E l{ = 2 V; E R = 2 V; E R = 2 V.
PRZYPOMNIJ SOBIE: Elektrotechnika: o Transmisję sygnału przez elementy nieliniowe.
Elektronika: o Schemat zastępczy złącza i jego charakterystykę prą do w o-na pię cio w ą (rozdz. 6.3). o Na czym polega zjawisko Zenera, lawinowe i tunelowe (rozdz. 6.4, 6.5). o Parametry złącza (rozdz. 6.6).
7. Diody półprzewodnikowe Diodą półprzewodnikową nazywamy element wykonany z półprzewodni ka, zawierającego jedno złącze — najczęściej PN z dwiema końcówkami wyprowadzeń, anodą A i katodą A. Charakterystyka diody oraz jej parametry są podobne, a nawet niekiedy takie same jak złącza PN. Diody są stosowane w układach analogowych i cyfrowych. W układach analogowych wykorzystywa na jest zależność rezystancji dynamicznej od napięcia lub prądu wejściowego (między innymi powstają częstotliwości harmoniczne), lub też zmiany pojemno ści w funkcji napięcia. W układach cyfrowych istotne są natomiast właściwości przełączające diody. Diody półprzewodnikowe stosuje się w układach prostowania prądu zmien nego, w układach modulacji i detekcji, przełączania, generacji i wzmacniania sygnałów elektrycznych. Ponieważ — jak już wspom niano — parametry diody są podobne do param e trów złącza PN, to i jej schemat zastępczy jest taki sam (patrz rozdz. 6.6.2), z tym że należy dodatkowo uwzględniać elem enty pasożytnicze (opisujące niezam ierzone efekty), tj.: indukcyjność doprow adzeń — L„ i pojem ność oprawki — C„ (patrz rys. 6.11). Elementy te odgrywają istotną rolę przy zastosowaniu diody w zakresie częstotliw ości wielkich i m ikrofalowych. Każda dioda ma pewną częstotliwość graniczną, po przekroczeniu której nie zachowuje się jak dioda, lecz jak kondensator. Klasyfikację diod przeprowadzamy ze względu na: o materiał (krzemowe, germanowe z arsenku galu); o konstrukcję (ostrzowe i warstwowe; stopowe i dyfuzyjne: mesa, planarne i epipłanarne) — rys. 7 .1; o strukturę fizyczną złącza (PN, MS, heterozłącza)', o zastosow anie (prostow nicze, uniw ersalne, im pulsow e, stabilitrony — Zenera, pojem nościowe — warikapy i waraktory, tunelowe, m ikro falowe: detekcyjne i mieszające oraz PIN) — rys. 7.2; o przebiegające zjawiska (Zenera, Gunna, lawinowe, tunelowe). 78
Rys. 7.1. Sposoby wytwarzania diod: a) ostrzowa; b) mesa; c) planarna; d) epiplanarna [6]
Rys. 7.2. Podział diod ze względu na zastosowanie [7]
Rys. 7.3. Charakterystyki prądowo-napięciowe diod / — prostowniczej (krzemowej), 2 — Zenera (stabilitronu), 3 — zwrotnej (detekcyjnej, mieszającej), 4 — tunelowej; linią grubą zaznaczono typowy obszar pracy każdej diody. Cyfry /, 2, 3, 4 oznaczają zwiększoną koncentrację domieszek
79
Różnorodność tych typów jest związana z: o poziomem i rozkładem koncentracji domieszek, mających wpływ na cha
rakterystykę prądowo-napięciową — rys. 7.3; o rozmiarami geometrycznymi poszczególnych obszarów i rodzajem obudowy.
półprzewodnika
Zakres zatkania
I {=□— R* o--- <--U
.
Zakres przewodzenia
Zakres zatkania (rozwarcie)
Zakres przewodzenia
n
Zakres zatkania (rozwarcie)
o--------
------- o
Zakres przewodzenia
°— •— G > ^ —
Zakres zatkania (rozwarcie) o
--------- o
Zakres przewodzenia (zwarcie)
o
o
Rys. 7.4. Odcinkowo-liniowa aproksymacja charakterystyki statycznej diody prostowniczej i od powiadający jej liniowy schemat zastępczy: a) uwzględniający rezystancję diody w kierunku zaporowym, — R r i w kierunku przewodzenia R r oraz to, że dioda jest źródłem napięcia UF; b) R r = c o \ c ) R r = co, R f = 0; d) R H= oo, R F= 0, UF = 0 [9]
80
Param etry techniczne diod mogą być charakterystyczne lub dopuszczalne (graniczne). W artość prądu nasycenia diod germanowych jest rzędu //A, a diod krzemo wych — nA. Ze wzrostem tem peratury prąd nasycenia podwaja swoją war tość (dla diody krzemowej co 6°C, a dla germanowej co 10°C). Dla każdego typu diody możemy utworzyć liniowy schemat zastępczy, ko rzystając z odcinkowo-liniowej aproksymacji charakterystyki prądowo-napięciowej — co pokazano na przykładzie diody prostowniczej (rys. 7.4) i diody Zenera (rys. 7.5). Oznaczenia diod, stosowane w tym rozdziale, dotyczą diod produkcji krajowej.
Z akres zatkania Uz r
- ®
- A
-
Zakres przewodzenia
-CDZakres zatkania
Uz
Zakres przewodzenia
Zakres zatkania
Uz —
(D —
Zakres przewodzenia
uto r ~ < i )— A
-
Rys. 7.5. Odcinkowo-liniowa aproksymacja charakterystyki statycznej diody stabilizacyjnej i od powiadający jej liniowy schemat zastępczy: a) uwzględniający rezystancję diody w kierunku zaporowym — rRl rz, napięcie Zenera Uz i w kierunku przewodzenia rF oraz to, że dioda jest źródłem napięcia UTo\ h) rR = co, /•-, U7 i oraz UTo\ c) rR = co, r: = 0, Uz i >'r oraz UTO [9]
(i — P o d staw ) e le k tro n ik i I
81
7.1. Diody p ro sto w n icze D iody prostow nicze są przeznaczone do p ro sto w an ia napięcia bądź p rą du przem iennego o m ałej częstotliw ości. Prostowanie jest to przetwarzanie prądu przemiennego na prąd jednokierunkowy. Diody zaczynają przewodzić (następuje gwałtowny wzrost prądu) dopiero po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia. Dla diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7 V, a dla germanowych ok. 0,3 V. Są one głównie stosowane w układach prostowniczych bloków zasilania jak również w powielaczach wysokiego napięcia. Diody prostownicze mają następujące oznaczenia: o diody wysokiego napięcia — BAYP50, BYP350; o diody typowe — BAYP80, BYP680, BYBPIO, BYP401, Y401; o diody mocy — DOO-IOO-IO, D3A2-10-12, D20-300-10; o diody szybkie mocy — DR12-10-01, DR51-80-12; o stos Diody rzędu skanie
diodowy — Y350-3K. prostownicze mają małą rezystancję w kierunku przewodzenia — pojedynczych Q (nie podaje się w katalogach), co pozwala na uzy dużych sprawności prostowania.
Parametrami charakteryzującymi diody prostownicze (nie podaje się ich dla diod szybkich mocy oraz dla niektórych diod mocy — np. D 5l, D 6l, D66) są: o napięcie przewodzenia — UF, przy określonym prądzie przewodzenia; o prąd wsteczny — I r , przy określonym napięciu w kierunku zaporowym; o czas ustalania się prądu wstecznego — t (podaje się tylko dla niektórych diod); o pojemność — C, przy określonym napięciu przewodzenia (np. dla typowej diody BYP680 — C = 15 pF przy UF = 100 V). Param etrami granicznymi (dopuszczalne) są: o maksymalny prąd przewodzenia — /n; o szczytowe napięcie wsteczne — U rwm ', o parametr przeciążeniowy — P t, podawany dla diod mocy. Powyższe param etry zebrano w tab. 7.1, a na charakterystyce prądowo-napięciowej diody prostowniczej (rys. 7.6) zaznaczono tylko najważniejsze z nich. Diody prostownicze wykonuje się głównie z krzemu. W artość prądu płynące go przez diodę spolaryzowaną w kierunku przewodzenia jest 10° h- 108 razy większa od wartości prądu w kierunku zaporowym. Diody prostownicze, ze względu na wydzielaną w nich moc, dzielimy na: o małej m ocy — poniżej 1 W, o średniej m ocy — od 1 do 10 W, o dużej mocy — powyżej 10 W. 82
Tabela
7.1
Parametry diod prostowniczych Rodzaj diody Parametr typowa
mocy
szybka mocy
wysokiego napięcia
stos diodowy
[VI
1*1,3
1,2*2,15
—
20*50
40
[Al
1*50 fi
3,5 m*10,l
—
10 y
10 fi
t
[sl
500 n
1*20 fJ
—
0,4*0,5 /i
—
'o
[A]
0,4*5
10*1600
10*400
8m
5m
Ur\VM
IV]
25*100
25*3200
100*1400
1,8 k*10 k
3 k lub 5 k
h
[A2s]
—
180*1,05 M
112*100k
—
—
Rys. 7.6. C harakterystyka prądowo-napięciowa diody prostow ni czej [6] U riym — m aksymalne napięcie wsteczne, UF — napięcie przewodzenia, /o — m aksymalny prąd przewodzenia
Są również produkow ane diody prostownicze o mocy do kilku kilowatów. Diody, przez które płynie prąd o wartości większej niż 10 A mają radiator, który odprowadza wydzielane ciepło do otoczenia. Czasami jest to niewy starczające i dioda musi być chłodzona wymuszonym opływem powietrza, a nawet specjalną cieczą. Jeżeli chcemy uzyskać większy prąd przewodzenia przy tym samym napięciu, to możemy połączyć kilka diod równolegle. Jeśli dodatkow o chcemy mieć jednakowe prądy płynące przez poszczególne diody, to do każdej z nich dołączamy szeregowo rezystor o niewielkiej wartości. Natom iast jeśli chcemy zwiększyć napięcie wsteczne przy tym samym prą dzie, to w miejsce jednej diody wstawiamy kilka diod połączonych szeregowo. 6'
83
7.2. Diody stab ilizacyjn e Są to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania napięć. Istnieją diody stabilizujące prąd i są nazywane polowymi ogranicznikami prądu (działają na innej zasadzie). Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w k ieru n k u zaporow ym , charak tery zu jąc się niew ielkim i zm ianam i n a pięcia pod wpływem dużych zm ian p rąd u . W ykorzystują one zjawisko Zenera bądź (i) lawinowe (patrz rozdz. 6.4). Diody stabilizujące mają podob ne oznaczenia jak diody prostownicze. Poniżej podano oznaczenia diod w zależności od ich przeznaczenia: o stabilizacyjne — BZP650; o Zenera: — typowe (stabilistor) — BZAP30, BZP650; — do układów hybrydowych — BZX84; — skompensowana tem peraturow o — BZY566; — do układów elektronicznego zapłonu — BZYP01. Na charakterystyce prądowo-napięciowej (rys. 7.7) zaznaczono param etry charakterystyczne diod stabilizacyjnych. Są to: o napięcie stabilizacji — Uz \ o prąd stabilizacji — /z; o napięcie przewodzenia — £//.-, przy określonym prądzie przewodzenia; o prąd wsteczny diody — IR,przy określonym napięciu wstecznym; o rezystancja dynamiczna — rz,której wartość zmienia się w zależności od napięcia stabilizacji (rys. 7.8); o tem peraturowy współczynnik napięcia stabilizacji — aUs.
Rys. 7.7. C harakterystyka pnjdowo-napięciowa diody stabilizacyjnej [6] U/. — napięcie stabilizacji, U,.- — napięcie przewodzenia, I lt -— prąd wsteczny, rz — rezystancja dynamiczna
84
Rys. 7.8. Zależność rezystancji dynamieznej diody od napięcia stabilizowanego [15]
Do param etrów dopuszczalnych zaliczam y: m aksym alną moc strat — Pu„ i maksymalny prąd przewodzenia — /<,. Wartości parametrów różnych diod zebrano w tab. 7.2. Tabela
7.2
Parametry diod stabilizacyjnych Parametr Rodzaj diody
Z
U,
Uf
V
V
A
typowa
3,1 do 36,5
1,1 do 1,2
do układów hybrydowych
4,4 do 12,7
skompensowana temperaturowo do układów elektronicznego zapłonu
E N E R A
Stabilizacyjna
a Uz
P.o,
Ai
o
10~V°C
W
A
0,5 do 20 /i
2 do 100
- 6 do -2 ,5 lub +2 do + 1 1
0,25 do 1,2
0,2 lub 3
0,9
100 n do 3 /J
10 do 80
0,5 do 8,8
0,2
0,2
6,08 do 6,72
—
—
25 do 200
0,05 do 0,5
0,25
—
138 do 244
1,5
l/i
300 do 400
+11
1,3
0,2
—
0,66 do 0,85
I A*
2 do 8
-4 0 lub -3 0
—
-
7.3. Diody pojem nościowe Diody pojem nościowe (warikapy i waraktory) pracują przy polaryzacji zaporowej, charakteryzując się zmienną pojem nością w funkcji przyło żonego napięcia. W arikapy stosuje się do przestrajania obwodów rezonansowych, waraktory natom iast — w układach parametrycznych (układ parametryczny to taki, w kórym co najmniej jeden param etr zmienia się w czasie), we wzmac niaczach lub powielaczach częstotliwości oraz układach mikrofalowych. Dio: dy pojemnościowe stosuje się również w układach modulacji częstotliwości i przełącznikach sygnałów mikrofalowych. Ze względu na małe wymiary diod pojemnościowych, dużą wytrzymałość na udary i małą zależność od zmian tem peratury, mogą one w wielu wypadkach zastąpić kondensatory zmienne lub ceramiczne. Diody pojemnościowe mają następujące oznaczenia: warikap — B I04, BB104, BBAP05A, w araktor — BXDP14, BXDP74B. 85
Rys. 7.9. Charakterystyka pojemnościowo-napięciowa diody pojemnościowej [6] Unwu — m aksymalne napięcie wsteczne, Cmax — pojem ność określana przy minimalnym napięciu, Cmin — pojem ność określana przy maksymalnym napięciu
Cmax Cmin Uri 0 Param etram i charakterystycznymi diod pojemnościowych są: o prąd wsteczny — IR, przy określonym napięciu zaporowym; o pojem ność złącza — Cj, przy określonym napięciu wstecznym (typową charakterystyką diody pojemnościowej jest zależność pojemności od przy łożonego napięcia); o stosunek pojemności minimalnej — Cmjn do maksymalnej — Cmax (rys. 7.9), przy dwóch różnych napięciach wstecznych (bliskim zeru i war tości maksymalnej); o rezystancja szeregowa — rs, przy określonym napięciu wstecznym, lub dobroć — Qc (podaje się dla warikapów); o m aksymalna częstotliwość — f c (podaje się dla waraktorów). Do param etrów granicznych należą: o maksymalne napięcie wsteczne — Urwm \ o maksymalny prąd przewodzenia — I0 (dla warikapów); o m aksymalna moc — P [ot (dla waraktorów). Wartości param etrów są zebrane w tab. 7.3. Tabela Parametry diod pojemnościowych Wari kap
W araktor
[Al
50 lub 2 0 0 n
10 jU
C
[pF]
1,6 do 4,5
0,5 do 10
r
tm
0,4 do 16
—
fc
[Hz]
—
15 do 150G
Ur\\’M
[V]
28 lub 30
6 do 90
Ai
[A]
0,02 do 0,1
—
[W]
—
0,3 do 4
Parametr
86
7.3
7.4. D iody przełączające Do diod przełączających (impulsowych) zaliczamy diody: tunelowe, ładun kow e, ostrzowe, Schottky’ego. Diody impulsowe wykorzystuje się w układach cyfrowych do przełączania sygnałów; w układach impulsowych diody pracują jako selektory impulsów. Diody ładunkowe i ostrzowe umożliwiają formowanie impulsów prostokąt nych o bardzo krótkim czasie narastania i opadania. Najmniejsze czasy przełączania (poniżej 0,1 ns) uzyskuje się dla diod Schottky’ego. Przykładowe oznaczenia diod przełączających: o typowa — A 182, BA152P, BAYP95A, Y155-25; o do układów hybrydowych — BABE95, BAR99, BAW56; o do matryc pamięci ferrytowych — BAS810. Param etram i (tab. 7.4) charakterystycznymi diod przełączających są: o pojem ność diody — C, o napięcie przewodzenia — Up, o prąd wsteczny — I R, o czas ustalania się prądu wstecznego — trr.
Tabela
7.4
Param etry diod przełączających Rodzaj diody Param etr typowe
do układów hybrydowych
do matryc ferrytowych
u,
V
1 ,6 2 -1 ,5
0,855 lub 1
1 -1 ,1 5
In
A
25 n — 100 fi
100 n
10 n
C
pF
1 ,5 - 5
2
8
trr
s
2 -5 0 0 n
2 n lub 6 n
—
Urwm
V
1 0 -1 0 0 0
50 lub 70
50
Parametrem granicznym diody przełączającej jest maksymalne napięcie wste czne — Urwm D iody tunelowe stosuje się m.in. w przełącznikach, we wzmacniaczach o małych szumach i w generatorach mikrofalowych, które wykorzystują ujemną rezystancję diody (rys. 7.10). Działanie tych diod jest oparte na zjawisku tunelowym (patrz rozdz. 6.5). Przy bardzo małych wartościach napięć w kierunku przewodzenia (od ok. 50 mV do ok. 350 mV), prąd zaczyna wzrastać szybciej niż w zwykłej diodzie. Przy wzroście napięcia do punktu P (punkt szczytu), prąd zaczyna 87
Rys. 7.10. C harakterystyka prąciowo-napięciowa diody tunelowej [6] Ur , UFj. — napięcia w kierunku przewodzenia odpo wiadające prądowi szczytu (/j>), V — punkt doliny i odpowiadający jej prąd (/| ) i napięcie (Uy)
maleć aż osiągnie punkt V (punkt doliny). W tym zakresie dioda wykazuje rezystancję ujemną. Dalszy wzrost napięcia powoduje wzrost prądu; charak terystyka diody tunelowej pokrywa się z charakterystyką zwykłej diody. W zale żności od lego, z jakiego materiału półprzewodnikowego jest wykonana dioda tunelowa, jej punkt szczytu i doliny przesuwa się w prawo na charakterystyce, tzn. zwiększa się wartość napięcia odpowiadającego punktowi doliny. Param etram i charakterystycznymi diody tunelowej są: o napięcie i prąd punktu doliny — Uy, l yi o napięcie i prąd punktu szczytu — Ui>, Ii>; o stosunek prądu szczytu do prądu doliny (nie zawsze podawany); o rezystancja dynamiczna — rz (minimalna lub średnia); o pojemność warstwy zaporowej — CT. N atom iast param etrem dopuszczalnym diody tunelowej jest maksymalny prąd w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym.
7.5. Diody detekcyjne i mieszające Diody te są wykonywane jako: ostrzowe krzemowe i germanowe, Schottky’ego, wsteczne. N a rysunku 7.11 przedstawiono ich charakterystyki prądowo-napięciowe. Diody te pracują przy częstotliwościach rzędu gigaherców. Ich najważniejsze param etry to: o czułość prądowa — h — stosunek prądu wstecznego do doprowadzonej mocy wejściowej (h = I0/P we i osiąga wartości 1 -i- 20 A/W); o sprawność detekcji — >/ (dla diod detekcyjnych) — stosunek mocy syg nału zdemodulowanego do mocy sygnału wejściowego (wynosi ok. 60%);
Rys. 7.11. C harakterystyki prądow o-napięciow e diod [6]
1 — diody zwrotnej, 2 — diody ostrzowej, 3 — diody Schottky’ego
o straty przemiany, które są wyrażone w dB — stosunek doprowadzonej mocy wejściowej do mocy wyjściowej odprowadzonej do obciążenia (wy noszą zwykle 5 h- 8 dB); 0 impedancja wyjściowa (podawana dla diod mieszających). Jak widać nie zaliczają się do nich param etry graniczne. D ioda zwrotna jest znana pod nazwą diody wstecznej (ang. bcickward dio dę). Podobnie jak w diodzie tunelowej — płynie przez nią w kierunku wstecznym duży prąd związany ze zjawiskiem Zenera. N atom iast w kierunku przewodzenia — płynie przez nią niewielki prąd, który gwałtownie rośnie, gdy napięcie przekroczy wartość progową (bliskie zera). Dioda S chottky’ego (np. BAP280, MBR) ma złącze metal-półprzewodnik 1 charakteryzuje się tym, że przy zmianie jej polaryzacji z kierunku przewo dzenia na zaporowy ma małą bezwładność — co daje najmniejsze czasy przełączania. Poza tym charakteryzuje się dużą stabilnością i niezawodnością, większym napięciem wstecznym niż diody ostrzowe oraz małym prądem wstecznym. D iody ostrzowe pracują jako diody detekcyje i mieszające przy często tliwości 200 GHz, ze względu na ich małe pojemności złącza. Ostrzowe diody germanowe pracują w zakresie częstotliwości do kilkuset MHz. Używa się ich w urządzeniach pomiarowych oraz w odbiornikach radiowych i telewizyj nych do: detekcji, ograniczania am plitudy i separacji impulsów synchronizu jących.
7.6. Diody generacyjne i w zm acniające Do diod generacyjnych i wzmacniających zalicza się diody: o tunelowe (omówione w rozdz. 7.4); o lawinowe Reada i Im patt (stosowane we współpracy z rezonatoram i mi krofalowymi); o G unna (np. CXDP).
89
Zasada działania diody lawinowej jest oparta na zjawisku przebicia lawino wego (patrz rozdz. 6.4). Dioda lawinowa, pracująca przy częstotliwości blis kiej 1/2t (t — czas życia nośników), wykazuje ujemną rezystancję dynamicz ną; następuje przesunięcie w fazie napięcia względem prądu o 180°. D ioda Gunna jest to element, którego działanie polega na specyficznej zależności prędkości elektronów od natężenia pola elektrycznego (zjawisko G unna), czego rezultatem jest istnienie ujemnej konduktancji w diodzie. Diody G unna są stosowane w generatorach mikrofalowych o częstotliwości rzędu GHz.
7.7. Diody modulacyjnie i tłum iące D ioda PTN (np. BADP23) jest zbudowana z trzech warstw półprzewodnika: typu P i typu N, przedzielonych warstwą półprzewodnika samoistnego. W zakresie bardzo wielkich częstotliwości dioda la charakteryzuje się zmien ną impedancją zależną od przyłożonego napięcia. Przy polaryzacji w kierun ku zaporowym stanowi sobą dużą rezystancję i bardzo m ałą pojemność, natom iast przy polaryzacji w kierunku przewodzenia — małą impedancję. W związku z tym jest ona używana jako regulowany rezystor lub jako przełącznik. M ożna też za pomocą diody PIN modulować amplitudę sygnału wielkiej częstotliwości lub stosować ją w regulowanych układach tłumiących odbiorników telewizyjnych i radiowych w zakresie ukf (w tunerach). Pytania kontrolne: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
Czym różnią się diody małej i dużej mocy? Porównaj działanie diody zwrotnej i diody Zenera. Co to jest częstotliwość graniczna diody? Jakie wartości mają prądy wsteczne płynące w różnych typach diod? Podaj przykłady odcinkowo liniowej aproksymacji charakterystyki prądowo-napięciowej różnych typów diod. Jakie parametry mają diody prostownicze, stabilizacyjne, przełączające? Wymień podstawowe parametry i zastosowania diod pojemnościowych. Omów budowę i zastosowanie diody PIN. Jakiego typu diody pracują przy polaryzacji zaporowej, a jakiego typu przy polaryzacji w kierunku przewodzenia? Która z opisanych diod ma najmniejszą wartość pojemności i gdzie jest stosowana? Jakich diod używa się w układach formujących impulsy, a jakich przy często tliwościach rzędu GHz7
PRZYPOMNIJ SOBIE: M a te m a ty k a : o Wykres hiperboliczny.
E lek tro te c h n ika : o Pojęcie czwórnika. o Schemat zastępczy układów do wyznaczania parametrów macierzy h. o Przesunięcie fazowe wprowadzane przez kondensator.
E lektron ika: o Co to jest półprzewodnik typu N i typu P (rozdz. 4.3). o Polaryzację złącza w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym (rozdz. 6.3). o Przełączanie złącza PN (rozdz. 6.7).
8. Tran zysto ry bipolarne 8.1. Rodzaje tran zysto ró w Tranzystory (z ang. Transfer Resistor) należą do grupy elementów półprze wodnikowych o regulowanym (sterowanym) przepływie nośników ładunku elektrycznego. Budowę i zasadę ich działania przedstawimy w dalszej części książki. Biorąc pod uwagę zasadę działania, tranzystory dzielimy na: bipolar ne i unipolarne (polowe). Tranzystory bipolarne są najczęściej wykonywane z krzemu, rzadziej z ger manu. Ze względu na kolejność ułożenia warstw półprzewodnika rozróż niamy: o tranzystory N P N , o tranzystory P N P .
Mogą one być z: o jednorodną bazą (dyfuzyjny), o niejednorodną bazą (dryftowy). Tranzystory polow e, zwane również w skrócie FET (ang. Field Effect Transistor), dzielimy na: o złączowe (JFET — ang. Junction FET); o z izolow aną bramką (IGFET lub MOSFET — ang. Insulated Gate F E T lub Metal Oxide Semiconductor FET). 91
Ze względu na rodzaj charakterystyki prądowo-napięciowej rozróżniamy tranzystory z: o kanałem wzbogacanym (normalnie wyłączone, tzn. kanał ma przeciwny typ przewodnictwa niż podłoże i przy braku zewnętrznej polaryzacji nie występuje w tranzystorze); o kanałem zubożanym (normalnie załączone, tzn. w kanale jest mniej noś ników niż w podłożu, przy braku zewnętrznej polaryzacji tranzystora ka nał istnieje). Tranzystory, tak jak i diody, mogą być: małej, średniej i dużej mocy. M ak symalna moc wydzielana w tranzystorze zależy od powierzchni zajmowanej przez tranzystor i od sposobu odprowadzania ciepła. Ze względu na zakres przetwarzanych częstotliwości, tranzystory dzielimy na małej i wielkiej częs totliwości. O zaliczeniu ich do którejś z tych grup decydują właściwości zastosowanego półprzewodnika, wymiary konstrukcyjne jego poszczególnych elementów oraz rodzaj i czas trw ania procesów technologicznych, jakim były poddawane.
8.2. S truktura tranzystora T ra n zy sto r b ip o larn y składa się z trzech obszarów p ó łp rzew odnika o przeciw nym typie przew odnictw a, co pow oduje pow stanie dw óch złą czy: P N i N P . Każdy z trzech obszarów półprzewodnika ma swoją nazwę: baza, emiter, kolektor, a złącza nazywa się — złączem emiterowym (złącze emiter-baza) i kolektorowym (złącze baza-kolektor). Na rysunku 8.1 przed stawiono modele struktury tranzystorów bipolarnych i odpowiadające im symbole graficzne.
o) Obszar emitera
Obszar bazy
Zacisk emitera
Obszar kolektora
Zacisk kolektora
E
B
C
p
N
P
E N
B P
¿5 C N
l
Zacisk bazy
t>) PNP
E o-
NPN -o C
-o C
\Z °B
B
Rys. 8.1. Modele struktury tranzystora (a) i odpowiadające im sym bole graficzne (b) [I]
92
8.3. Praca tranzystora 8.3.1. Zasada działania Zasadę działania tranzystora bipolarnego omówimy na przykładzie polaryza cji normalnej tranzystora, tzn. gdy złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza-kolektor — w kierunku zaporowym. Stan taki jest zapewniony, jeżeli jest spełniona zależność między poten cjałami na poszczególnych elektrodach: ° V e< V j 3 < V c — dla tranzystora NPN; o V e > V /j> V c — dla tranzystora PNP. Na rysunku 8.2 zaznaczono rozpływy prądów i spadki napięcia między poszczególnymi elektrodam i, natom iast na rys. 8.3 — zasadę działania tran zystora NPN. NPN Rys. 8.2. Oznaczenie rozpływu prądu w tranzystorze i spadki napięcia na nim i u — prąd bazy, Ic — prąd kolektora, 4 — prąd emitera, UCL — napięcie kolektor-emiter, Um: — napięcie baza-emiter, Uci: — napięcie kolektor-baza, Vl: — po tencjał emitera, V'u — potencja! ba/y. \ rc — potencjał kolektora
Rys. 8.3. Zasada działa nia tranzystora NPN ¡i, — prąd bazy, /(.- — prąd kolektora, ¡cno — zerowy prąd kolektora, lE — prąd emitera, E — emiter, B — baza, C — kolektor
PNP
'7r JCB/
fC
■'CE
EC
<
JBE
JEB
nic ve
vE >vg >vc
< vb < vc
1 1 © - © - ©-! ©-«• ©— •- i ©— © _ © ' ©— © _ ©— ©.,. © J 1 1 1
1 | 1© ~ © I ©— i ©— © ©—
1 1
\
► ©«► © ~ ©J - ©— 1 ©— ©+
i' ' 1 1© - © - © . 1 ©-* © 1©-► ©— ©•
l\Ig
W wyniku przyłożenia napięć do elektrod tranzystora (polaryzow anie złączy), elektrony jako nośniki większościowe przechodzą z em itera do bazy, gdzie stają się nośnikam i mniejszościowymi i część z nich rekom binuje z dziuram i w prow adzanym i przez k o n tak t bazy. E lektrony prze chodzące przez złącze em iter-baza m ają określone prędkości i jeżeli obszar 93
bazy będzie dostatecznie wąski (czas przelotu przez bazę krótszy od czasu rekombinacji), to prawie wszystkie przejdą (w wyniku unoszenia w silnym polu elektrycznym) do kolektora, gdzie staną się ponownie nośnikami więk szościowymi i zostaną usunięte z obszaru kolektora do obwodu zewnętrz nego. S tosunek ilości nośników (elektronów ) przechodzących do kolek to ra, do ilości nośników (elektronów ) w strzyldw anych z em itera do ba zy, nazyw am y w spółczynnikiem w zm ocnienia prądow ego i oznaczam y y.. Ponieważ złącze baza-kolektor jest spolaryzowane w kierunku zaporowym, to oprócz omówionego prądu, w złączu płynie prąd związany z tą polaryza cją, tzw. p rą d zerow y k o lek to ra — I Co o • Płynie on nawet wtedy, kiedy złącze baza-emiter jest niespolaryzowane (/£ = 0). Przez tranzystor płynie również zerowy prąd I c e o , g d y / e = 0 . Powyższe rozważania można zapisać w postaci równań: = /ij + Zc, I c = aIjr-{- I cdo ,
/«—(1 —a)/jj —I ceo, a = /?/(/?+1)
lub
/i = a / ( l —a),
I c — (H b + I c e o , w których: a — współczynnik wzmocnienia prądowego, który może osiągać wartości od 0,952 do 0,998; (S — współczynnik wzmocnienia prądowego, będący stosunkiem ilości nośników wstrzykiwanych do kolektora do ilości nośników w bazie (/i = 20 -r 850).
8.3.2. Opis pracy tranzystora m etodą ładunkow ą Z poprzedniego rozdziału wynika, że w każdej chwili w obszarze bazy jest stały ładunek Q . W związku z tym prąd kolektora l c — Qth', przy czym t b jest czasem p rzelo tu nośników przez bazę. Dla tranzystora z jednorodną bazą
tb= wy2DB. Dla tranzystora z niejednorodną bazą
tb= ut/2DB(\+ b l2 ), przy czym: tr;, — szerokość bazy, Dn — współczynnik dyfuzji nośników w bazie; b - ln/V(l !NW (N„, N xv— koncentracja nośników na początku i na końcu bazy).
Natomiast prąd bazy, opisujący prąd nośników ulegających rekombinacji, In = Q l przy czym rn jest czasem życia nośników mniejszościowych w bazie. Na tej podstawie można określić współczynniki wzmocnienia prądowego: a - 1 -tiJTn, fi = T/,///,.
8.4. Układy pracy tranzystora Ponieważ tranzystor jest elementem trójkońcówkowym, to istnieje kilka spo sobów włączenia go do układu. Na rysunku 8.4 przedstawiono trzy sposoby włączenia tranzystora do układu, zależnie od doprowadzenia i wyprowadze nia sygnału. Są to: 1. U k ład ze w spólnym em iterem O E (WE) — rys. 8.4«. 2. U kład ze w spólną bazą OB (WB) — rys. 8.4/?. 3. U kład ze w spólnym k olektorem O C (WC) — rys. 8.4c a)
b)
we
c)
m
wc
----- oC
5o-
-O f E o—
-O
B
c
flo-
C
Rys. 8.4. Układy pracy tranzystora: a) ze wspólnym emiterem (OE): />) ze wspólną bazą (OB): c) ze wspólnym kolektorem (OC) [6]
W ybór układu pracy jest zależny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego tranzystora. Tranzystor pracujący w układzie OE jest najczęściej używany w układach elektronicznych, ponieważ charakteryzuje się: o dużym wzmocnieniem prądowym (/? = /c//a); o dużym wzmocnieniem napięciowym; o dużym wzmocnieniem mocy. Napięcie wyjściowe w układzie OE jest odwrócone w fazie o 180° w stosun ku do napięcia wejściowego. Rezystancja wejściowa jest rzędu kilkuset Q, a wyjściowa wynosi kilkadziesiąt k i l Tranzystor pracujący w układzie OB ma: o małą rezystancję wejściową; o bardzo dużą rezystancję wyjściową;
o wzmocnienie prądowe bliskie jedności (a —Iclh)Tranzystor w tym układzie pracuje przy bardzo dużych częstotliwościach granicznych, niekiedy nawet rzędu GHz. Tranzystor pracujący w układzie OC charakteryzuje się: o dużą rezystancją wejściową (co ma istotne znaczenie we wzmacniaczach małej częstotliwości); o wzmocnieniem napięciowym równym jedności (stąd jest nazywany również wtórnikiem emiterowym); o dużym wzmocnieniem prądowym (fl+ \ = I FJIn)95
8.5. Charakterystyki statyczne tranzystora Tranzystor pracujący w dowolnym układzie pracy (patrz rozdz. 8.4) charak teryzują prądy przez niego płynące i napięcia panujące na jego zaciskach. W związku z tym można określić cztery rodziny charakterystyk statycz nych: o wejściowa (£/, = f(/,), przy t/2 = const); o przejściowa (/2 = f(/j), przy t/2= const); o wyjściowa (/2 = f(f/2), przy / t = const); o zwrotna (Ul = f(U 2), przy Ix—const). Znając charakterystykę wejściową i wyjściową (podawane w katalogach), można wyznaczyć dwie pozostałe. Postać charakterystyki wejściowej i wyj ściowej jest taka sama, jak charakterystyki złącza półprzewodnikowego pola ryzowanego odpowiednio w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporo wym (patrz rozdz. 6.3).
8.5.1. Charakterystyki statyczne tranzystora w układzie OB Na rysunku 8.5 przedstawiono rodziny charakterystyk statycznych tranzys tora w układzie OB, w którym /, = IE, U} = Ueb, U —Ic, U2 = UcbCharakterystyki wejściowe w rzeczywistości nie przecinają się w jednym punkcie, jest to spowodowane tym, że istnieje pewien spadek napięcia na rezystancji rozproszonej bazy (/•/,/,’)• Występujące przesunięcie charakterystyk
96
względem siebie jest związane ze zjawiskiem Early’ego (modulacja szerokości bazy). Jest to tzw. oddziaływanie wsteczne w tranzystorze, które silniej występuje w tranzystorach z jednorodną bazą. Przesunięcie względem siebie charakterystyk wyjściowych jest natom iast związane ze sterowaniem prądu kolektora przez prąd emitera. Charakterystyka wyjściowa osiąga nasycenie, ale nie jest płaska, lecz nieznacznie wzrasta, co jest spowodowane modulacją efektywnej szerokości bazy. Charakterystyki przejściowe, to linie proste nachylone pod kątem a (współ czynnik wzmocnienia prądowego). Charakterystyki zwrotne powinny być natom iast liniami prostymi, równoległymi do osi napięcia UCB, jednak tak nie jest w wyniku oddziaływania wstecznego w tranzystorze. Wpływ m odula cji szerokości bazy jest tym silniejszy, im większy jest prąd emitera.
8.5.2. Charakterystyki statyczne tranzystora w układzie OE Na rysunku 8.6 przedstawiono rodzinę charakterystyk statycznych tranzys tora w układzie OE, gdzie I x= I b, Ux = UBe, h = Ic, U2 = UCe. QPrzesunięcie względem siebie charakterystyk wejściowych jest związane z mo dulacją szerokości bazy, natom iast przesunięcie charakterystyk wyjścio wych — oddziaływaniem prądu bazy na prąd kolektora] Tak jak i w ukła dzie OB, charakterystyki osiągają nasycenie, a ich nachylenie nie jest stałe, ale rośnie (jest większe niż w układzie OB, ponieważ część napięcia JJce
7 — P odstaw y e le k tro n ik i I
97
polaryzuje złącze emiter-baza). Charakterystyka przejściowa jest linią prostą o nachyleniu /? (współczynnik wzmocnienia prądowego). Wygląd charak terystyk zwrotnych jest natom iast podobny do tych samych charakterystyk układu OB. Powyższe charakterystyki są najbardziej przydatne do analizy graficznej pracy tranzystora w układzie wzmocniacza.
8.6. Stany pracy 5 param etry tranzystora Tranzystor składa się z dwóch złączy PN, które mogą być spolaryzowane w kierunku zaporowym lub przewodzenia. W związku z tym można wyróż nić cztery stany pracy tran zy sto ra (tab. 8.1): 1. A ktyw ny. 2. N asycenia. 3. Z a tk an ia . 4. Inw ersyjny. Tabela
8.1
Stany pracy tranzystora i odpowiadająca im pola ryzacja złącza [15]
Stan tranzystora
Kierunki polaryzacji złączy tranzystora złącze emiter-baza
złącze kolektor-baza
Zatkanie
zaporowy
zaporowy
Przewodzenie aktywne
przewodzenia
zaporowy
Nasycenie
przewodzenia
przewodzenia
Przewodzenie inwersyjne
zaporowy
przewodzenia
Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym, a w układach cyfrowych — w stanach zatkania lub nasycenia. Param etry określające właściwości tranzystora możemy podzielić na statycz ne (graniczne, charakterystyczne i maksymalne) i dynamiczne. P a ram e try statyczne są to param etry określające zależności między prądami i napięciami stałymi doprowadzonymi do tranzystora (rezystancja rozproszo na bazy, współczynnik wzmocnienia prądowego, prądy zerowe). Umożliwiają one określenie punktu pracy tranzystora. P a ram e try graniczne określają dopuszczalne wartości: napięć, prądów, tem peratury i mocy, które mogą wystąpić w tranzystorze, a ich przekroczenie powoduje uszkodzenie lub zniszczenie tranzystora. P a ram e try charakterystyczne są to typowe wartości param etrów okreś lających tranzystor (poszczególne prądy i napięcia, współczynnik wzmoc 98
nienia prądow ego, rezystancja bazy, pojem ności złączow e, pulsacja gra niczna). Parametry maksymalne są największymi wartościami prądów lub napięć, po przekroczeniu których gwałtownie pogarszają się pozostałe parametry tranzystora, ale nie następuje jego uszkodzenie. Parametry dynamiczne określają właściwości tranzystora w wybranym punkcie pracy, gdy zostanie on wysterowany przemiennym napięciem lub prądem (czasy włączania i wyłączania tranzystora).
8.6.1. Obszar pracy aktywnej Na rysunku 8.7 przedstawiono obszar pracy aktywnej tranzystora w konfigu racji OB i OE. Jest on ograniczony od góry maksymalnym prądem kolektora, a od dołu prądem zerowym, płynącym przez tranzystor w danym układzie (poniżej znajduje się obszar zatkania). Ze strony lewej ograniczenie sta nowi obszar nasycenia, a z prawej — krzywa (hiperbola) Pa = Ul, która określa maksymalną moc, jaka może być wydzielona w tranzystorze, i wartość napięcia przebicia.
UcEmax^CEOmx^CE
Rys. 8.7. Obszary pracy tranzystora w układzie OB (a) i w układzie OE (b); [6]
8.6.2. Napięcia przebicia Z wartością napięć przebicia są związane maksymalne wartości napięć (Ucbomax’ UCEOmm) J a k ie mogą być doprowadzone między poszczególne elek trody tranzystora. W tranzystorze mamy do czynienia z trzema rodzajami przebicia: l) związane ze zjawiskiem Zenera (patrz rozdz. 6.4) — przebicie złącza emiter-baza tranzystora dryftowego; T
99
2) związane ze zjaw iskiem lawinowym (patrz rozdz. 6.4) — przebicie złącza baza-kolektor lub emiter-baza tranzystora z jednorodną bazą; 3) skrośne — wywołane rozszerzeniem się warstwy zaporowej złącza kolektor-baza na cały obszar bazy, w wyniku czego nośniki z emitera przecho dzą bez strat do kolektora. Wartość napięcia przebicia tranzystora pracującego w układzie OB jest większa niż w układzie OE (UCE0max = ('/, 4- >/2) UCBOlnax). Czasami w tranzystorze występuje przebicie wtórne. Jest ono związane z tym, że w niewielkim obszarze złącza następuje wydzielenie dużej ilości ciepła, co powoduje uszkodzenie termiczne tranzystora (dużej mocy i często tliwości). Tranzystor pracujący przy napięciach bliskich wartości napięcia przebicia lawinowego może być wykorzystany do generacji impulsów o stromych zboczach.
8.7.
Schematy zastępcze tranzystora
Schematy zastępcze tranzystora wykorzystujemy wtedy, kiedy chcemy przepro wadzić analizę pracy danego układu elektronicznego. Poniżej omówimy trzy podstawowe schematy zastępcze tranzystora: 1. T ypull. 2. Hybrydowy. 3. Ebersa-Molla. Schemat zastępczy typu II tranzystora jest stosowany przy określaniu punktu pracy i param etrów roboczych (rezystancja wejściowa i wyjściowa, wzmoc nienie) układów elektronicznych. Schemat hybrydowy służy również do określania parametrów układów elek tronicznych. Wartości parametrów h określa się korzystając z charakterystyk statycznych tranzystora. M odel Ebersa-M olla jest wykorzystywany do analizy pracy układów im pul sowych i cyfrowych.
8.7.1. Schemat zastępczy typu n Schemat zastępczy, jak również odpowiadający mu model fizyczny, jest two rzony na podstawie zjawisk zachodzących wewnątrz tranzystora. Przeanali zujmy go na przykładzie tranzystora pracującego w układzie OE. Każdy obszar półprzew odnika ma pew ną rezystancję. W schem acie zastępczym uwzględniamy tylko rezystancję bazy rDB>, ponieważ ma ona największą wartość (ok. 100 Ci). Uwzględnia się ją głównie przy dużych częstotliwoś 100
ciach. Ze zmianą napięcia Ub'e zmienia się prąd bazy i kolektora. W związku z tym można określić następujące param etry układu: o konduktancję wejściową — gb'c = { \ —a)IEIU T (1 mS); o transkonduktancję — ,§■„, = a /£/ t/ r , która reprezentuje sterowanie prądu - kolektora prądem emiteraTl , ^
Ic
9ec
-oC
ueb
9eb'= —
9m
ueb
9ctl
Ccb' Ucb'
Ucb'
B'
^ b .,\ \rBB'
Ccb'
b) Bo-
Jb
k
8> 9cb ub'e
%'e M
==Ceb'
gmU b't y Ve\V
e oRys. 8.8. Schemat zastępczy typu n tranzystora dla układu OB (a ) i układu OE (/>) [1]
Nachylenie charakterystyki Ic{Uce) jest reprezentowane przez konduktancję wyjściową gcc (20 fiS). N atom iast zjawisko Early’ego reprezentuje gcb’ (0,5 /iS). Oprócz omówionych param etrów, każde złącze m a pojemność złączową i dyfuzyjną (patrz rozdz. 6.6.1). Całkowita pojemność złącza kolektor-baza (Ccv = 10 pF) stanowi sprzężenie między obwodem wyjścio wym a wejściowym. Całkowita pojemność złącza emiter-baza (CLv = 200 pF) wpływa na wzmocnienie przy większych częstotliwościach. Pełny schemat zastępczy tranzystora pracującego w konfiguracji OE i OB pokazano na rys. 8.8. Związek między konduktancjam i wejściowymi obu konfiguracji jest na stępujący: gb'e = 0 -
101
8.7.2. Schem at zastępczy hybrydow y Jeżeli tranzystor potraktujem y jako czwórnik, to możemy w następujący sposób opisać napięcie na wejściu i prąd wyjściowy tranzystora pracującego w konfiguracji OE: Ui}E = hi\In + h\2UcE , Ic = !h\ h l l UCE ■> przy czym: U
be
hn =
Uce = 0
. Ube h u -—
U CE
/ \ —Ic~r hi
impedancja wejściowa,
współczynnik przenoszenia wstecznego, /« = o
Uce = 0
Ic w CE Ib = 0
a)
współczynnik przenoszenia prądowego,
admitancja wyjściowa.
h 2 i b 1e
h 2le h
h h12eUce r - © - 1 J--- — ---- 1 \ [ |---o C Bc |___)-----i )--, hne h22e h22b Ucb Ube U ' 0------------------------- -------------------------Eo------------------------ -------------------------- O Ig- hm O--- 1 ___ |-----(
h ,2 b - U cb
Rys. 8.9. Schemat zastępczy hybrydowy tranzystora dla układu OB (u) i układu OE (b) [1]
Rys. 8.10. Sposób wyznaczania param et rów h tranzystora
¿11= 18* 11.
¿12
= 18* 12. ¿2 1 = 18* 21.
Q — p u n k t pracy
102
¿22
= *8*22
Układ zastępczy tranzystora dla tak określonych param etrów jest pokazany na rys. 8.9, a graficzna interpretacja tych param etrów na rys. 8.10.
8.7.3. Schem at zastępczy (m odel) Ebersa-M olla (stany pracy tranzystora) Schematem zastępczym, który opisuje wszystkie stany pracy tranzystora, jest tzw. model Ebersa-M olla. W tym modelu tranzystor składa się z dwu złączy: N P i PN połączonych szeregowo (rys. 8.11«), które oddziałują wzajemnie na siebie. To oddziaływanie jest reprezentowane przez źródła prądowe ocNIE i
-BU----- o
T
Rys. 8.11. Schemat zastępczy Ebersa-Molla tranzystora: a) uproszczony modeł; b) pełny sche m at [6]
Współczynniki te są powiązane zależnością Tebo = V-i I cboWzmocnienie tranzystora pracującego w stanie aktywnym jest dużo większe niż w stanie inwersyjnym. Na przykład: dla tranzystora BC107 Pn — 1—oc(v) —200, a / = ci//( I —ccj) —4. Po dokonaniu aproksymacji odcinkowo-liniowej charakterystyki diody (patrz rozdz. 7), otrzymujemy odcinkowo-Iiniowe modele tranzystora dla różnych stanów pracy. Stosujemy je podczas analizy układów impulsowych do obliczania punktu pracy tranzystorów jak również podczas analizy liniowych i nieliniowych układów analogowych. W stania zatkania tranzystora, złącza są polaryzowane w kierunku zaporo wym, co odpowiada rozwarciu miedzy kolektorem i emiterem (rys. 8.12«). W tym stanie przez złącze kolektor-baza płynie prąd zerowy Ia}G, a przez 103
a)
Ube^^ bep bBC < UBCP
?C
c)
b) UB E ~ ^ B E P
UB E ~ UBEP
tyc < UgCP
kBC = U BCP
d)
oC
9C
0
10 B o-
B oZ ) \ UBEP
óE Zatkanie
6E Przewodzenie aktywne
UBE < UBEP
Unr —Llnrp
UcES
UBCP
B
% p fO
1'fii Ib 6E Nasycenie
E6 Przewodzenie inwersyjne
Rys. 8.12. Modele tranzystora odpowiadające jego stanom pracy [9] ¡¡N — współczynnik wzmocnienia prądowego w kierunku normalnym, fli — współczynnik wzmocnienia prądowego w kierunku inwersyjnym, hi — prąd bazy, U Cf.s — napięcie nasycenia tranzystora, Uncr — napięcie przewodzenia złącza kolektorowego, Uoer — napięcie przewodzenia złącza emiterowego
złącze emiter-baza — prąd łcno- Zatem, całkowite zatkanie następuje przy In — — IcnoStan aktywny tranzystora omówiono wcześniej (patrz rozdz. 8.6.1); odpow ia da mu schemat z rys. 8.126. W stanie nasycenia tranzystora, oba złącza są polaryzowane w kierunku przewodzenia, a przez tranzystor płynie prąd maksymalny, co odpowiada zwarciu między kolektorem a emiterem (rys. 8.12c). Napięcie między kolek torem a emiterem nosi nazwę napięcia nasycenia — U Ce s i wynosi ok. 0,2 V. W stanie inwersyjnym, kolektor przejmuje funkcję emitera, a emiter — kolektora (rys. 8.12d)\ współczynnik wzmocnienia prądowego /? /< /V
8.8. Częstotliw ości graniczne tranzystora Ze wzrostem częstotliwości sygnału wejściowego maleje wartość wzmocnienia prądowego, ponieważ coraz bardziej zaznacza się wtedy wpływ pojemności tranzystora. Częstotliwość, przy której moduł współczynnika wzmocnienia prądowego (/i = /?2H>) maleje do jedności — nazywa się częstotliw ością gra niczną tranzystora.
przy czym u)T= —— ——— jest pulsacją g raniczną (pole wzmocnienia). (~b’c+ Cb’c
104
Określa się jeszcze trzy inne częstotliwości graniczne: f — dla układu wspólnej bazy (OB), przy której współczynnik wzmocnienia prądowego maleje do 0,707 wartości maksymalnej (tj. o 3 dB); f ß — dla układu wspólnego emitera (OE). Pasmo przenoszenia tranzystora w danej konfiguracji jest określane jako różnica górnej (fa, fß) i dolnej (0 Hz) częstotliwości, dla których wartość wzmocnienia jest mniejsza o 3 dB od wartości maksymalnej. N a rysunku 8.13 przedstawiono związek między tymi częstotliwościami. f ß = frlß\ / r = 0,8 f a ;
2nrb>e(Cb>e+ Ci,’c) r _
geb'
J« ~ 2 n C eb'
Rys. 8.13. Częslolliwości graniczne tranzys tora [1] /„ — częstotliwość graniczna tranzystora pracują cego w konfiguracji OE, / — częstotliwość grani czna tranzystora pracującego w konfiguracji OB, f r — częstotliwość, przy której wzmocnienie prą dowe tranzystora pracującego w konfiguracji OE maleje do jedności, lt2n>„ — wzmocnienie prądowe dla zakresu średnich częstotliwości dla tranzystora w konfiguracji OB, h^u-o — wzmocnienie prądowe dla zakresu średnich częstotliwości dla tranzystora w konfiguracji OE
,/max — maksymalna częstotliw ość generacji; największa częstotliwość, przy której tranzystor może pracować w układzie generatora. Odpowiada to wzmocnieniu mocy równemu jedności. ■’m ax yj UnrinrCrc ’ przy czym C Tc jest pojemnością złącza kolektorowego.
Częstotliwości graniczne w tranzystorach z niejednorodną bazą są większe niż w tranzystorach z jednorodną bazą. 105
8.9. Przełączanie tranzystora Na rysunku 8.14 przedstawiono ukiad tranzystora i przebiegi sygnałów uzys kane w wyniku przełączania IranzystorarC ykl przełączania zaczniemy om a wiać od chwili, w której napięcie na generatorze ma wartość — E R. Tranzys tor jest wówczas zatkany (? = 0). W chwili przełączenia napięcia na generato rze na wartość EF, prąd bazy wzrośnie skokowo do wartości E f + Er
uc ( ł )
Rys. 8.14. Przełączanie tranzysto ra: a) układ b) przebiegi czasowe
[9]
ci, — napięcie wejściowe,
— prze bieg napięcia na bazie tranzystora, /(, — przebieg prądu bazy, ic — prze bieg prądu kolektora, nc — przebieg napięcia na kolektorze
106
Jest to związane z tym, że tranzystor w stanie zatkania zachowuje się tak samo jak kondensator. Ponieważ kondensator jest elementem bezwładnoś ciowym, to napięcie na nim nie zmienia się skokowo. W związku z tym cały skok napięcia, jaki pojawił się na wejściu, odłoży się na rezystorze R h — powodując skokowy wzrost prądu bazy. Prąd ten będzie wpływał do bazy, doładowując pojemność złączową, co z kolei będzie powodowało zmniej szanie prądu bazy. Gdy napięcie na bazie osiągnie poziom Urep-, wówczas złącze baza-emiter zostanie spolaryzowane w kierunku przewodzenia, co powstrzyma narastanie napięcia na bazie. Prąd bazy ustabilizuje się na poziomie Ep — Ubhp ,aF=— R T ~ W tym czasie (/j) napięcie na bazie rośnie od wartości Urep- Tranzystor nadal jest zatkany i prąd przez kolektor cie na kolektorze jest równe napięciu zasilania Ucc■ W przez bazę napięcia o wartości Urep (czas /d), tranzystor aktywnie. Cykl ten jest analogiczny do przełączania diody
—Er do wartości nie płynie. N apię chwili osiągnięcia zaczyna pracować (patrz rozdz. 6.7).
E[: Ą- E r
td = R b C wc ln
E p — U rep przy czym C we jest pojem nością wejściową tranzystora.
Od tej chwili prąd i napięcie bazy są stałe. Prąd kolektora zaczyna natom iast rosnąć, i osiąga wartość ICm , gdy tranzystor wejdzie w stan nasycenia. _ U c c ~ UCES 7?c Wzrostowi prądu kolektora towarzyszy zmniejszanie się napięcia na kolek torze do wartości nasycenia U Ce s , którą osiąga w czasie , PnIb f tn—xn1n ■ PnI bf —I cm przy czym: T„ = /ij\ ( t h + C TcR c), b — czas przelotu n o śn ik ó w przez bazę.
Cykl włączania tranzystora kończy się. W yłączanie tranzystora rozpoczyna się natom iast w chwili zmiany napięcia na generatorze z wartości Ep na —Er. Przez bazę zaczyna płynąć prąd IBR, którego zadaniem jest wyprowadzenie nośników prądu z bazy. J
_ E r + UreP
107
-
Początkowo prąd kolektora po minimalnym zmniejszeniu, utrzymuje się na stałym poziomie w tzw. czasie przeciągania ,
!= 1 ‘
P n I bf
TP N* 7 BR T +7 i CM —
’
przy czym i, jest czasem życia nośników.
Zjawisko to jest związane z rozładowaniem pojemności dyfuzyjnej, która została naładow ana, gdy tranzystor był w stanie nasycenia. Po tym czasie następuje wyprowadzenie tranzystora ze stanu zatkania do stanu aktywnego. Nieznacznie zmienia się prąd i napięcie na kolektorze. Napięcie na bazie stopniowo maleje, aż osiągnie wartość zero. W tym czasie (i0) prąd kolektora maleje do zera, a napięcie na nim osiąga wartość Ucc¿o =
, P n I b r + Jcm T„In ----- — ------ . PN* BR
W tej chwili kończy się proces wyłączania tranzystora. Napięcie na bazie zmniejsza się od zera do wartości —ER. Prąd bazy zwiększa się i osiąga wartość zero po czasie tw= 2,3RbCwe. Przykład Gdy przyjmiemy następujące wartości: £> = 4 V, ER= 1 V, R b= l,5 kfi, Rc= 470 Q, Ucc = 6 V, C rc= 3 pF, C„,t.= ll pF, tb= 1 ns, t s= 100 ns, fiN= \25, wówczas otrzymamy następujące czasy przełączania: tj= 34 ns, /„= 75,4 ns, ts= 72,3 ns i /0= 108,3 ns.
8.10. Podział tran zysto ró w bipolarnych i ich zastosowanie Najważniejszymi param etram i tranzystorów są: o wzm ocnienie prądowe w układzie OE, przy określonym prądzie kolek tora i napięciu kolektor-emiter; o napięcie nasycenia, przy określonym prądzie bazy i kolektora; o prąd zerowy, przy określonym napięciu kolektor-baza lub kolektor-emiter; o częstotliw ość graniczna; o pojemność złącza kolektorowego; o czas wyłączania; o stała czasowa związana z rezystancją rozproszoną bazy; o m aksymalna m oc wydzielana. Klasyfikację tranzystorów bipolarnych najczęściej przeprowadza się ze wzglę du na wydzielaną w nich moc i ich maksymalną częstotliwość generacji (tab. 8.2). Tranzystory te mają różne typy obudowy, w związku z tym położenie wyprowadzeń końcówek jest różne (rys. 8.15). 108
T a b e l a 8.2 Rodzaje tranzystorów bipolarnych i ich param etry Param etr Rodzaj tranzystora
Ico t/'A]
Jt [MHz]
C [pF]
',,rf [/*}
0,015 do 0,1
100 do 300
2,5 do 7
0,85
0,1
200 260
1
—
1,6 7
—
50 180 250
25 30
0.3 0,85
250 300 400
10
—
0,05 0,5
40 70
4
—
0,4 do 2
0,05 do 1000
l do 210
30 do 250
0,6 1,5
0,5 do 5
0.35 do 1,3
500 do 4000
10
300
1.5 do 2.5
1 5 -2 2 0
1 m do 20m
0,5
0,1 0,5
100 do 600
0,25 do 0,8
—
2 0 -3 3 0
l m 4 m 8 m
—
0,1 0,06
150 do 1200
0,13 do 1
—
P [W]
¿21E
'c [A]
[V]
malej mocy, m.cz.
0,15 do 0,5
3 0 -9 0 0
2 m 0,1
0,1 - 0 ,3 0,7
malej mocy, w.cz. (ukl. hybrydowe)
0,2
3 5 -2 2 5
1 m
malej mocy, wys. napięcia
0,4 0,83
>50
10 m 25 m
0,3
0,01 0,05
50 60
średniej mocy, m.cz.
3.4 3.5 4,25
2 0 -2 5 0
0,15
0,8 1
0,1 0,3
średniej mocy, w.cz.
5
1 0 -2 0 0
0,25
1
0,5 20
średniej mocy, wys. napięcia
4 5 9,5
>15 >25
30 m
0,9 l 1,2
mocy
6,5 do 125
1 5 -3 0 0
50 m 0,03 do 5
mocy przełączający
50 do 87,5
7 ,5 -1 8 0
0,12 do 0,3 0,16 do 0,3
w.cz
w.cz. (głowice VHF)
Ze względu na wydzielaną moc, tranzystory dzielimy 1. Małej m ocy — do 0,3 W. 2. Średniej m ocy — do 5 W. 3. Dużej m ocy — powyżej 5 W, nawet do 300 W. Biorąc pod uwagę maksymalną częstotliwość generacji, tory: 1. Małej częstotliw ości (m.cz.) — do kilkudziesięciu 2. Wielkiej częstotliwości (w.cz.) — nawet do kilku
na:
rozróżniamy tranzys MHz. GHz. 109
1 2 3 B E C H E B C M
8F214;215,157,173 i r o s y j s k ie p o z o s ta łe
rmi f Gf
O
TTT
Rys. 8.15. Obudowy tranzystorów z zaznaczonymi wyprowadzeniami końcówek
Przykładowe oznaczenia tranzystorów produkcji polskiej: o malej mocy i małej częstotliwości — BC107, BCAP07, C l 08; o malej mocy, wielkiej częstotliwości — BSF18, stosowane w układach hyb rydowych; o małej mocy, wysokiego napięcia (napięcie od kilku do kilkunastu kV) — BC393, BCAP93, BF422; 110
o średniej mocy, małej częstotliwości BC211, BCAP11, C211; średniej mocy, wielkiej częstotliwości — BFCP99, BFP990, BFYP99; średniej mocy, wysokiego napięcia — BF257, BFAP57, F257; mocy, wysokiego napięcia — BD127, BF457, D l 27; mocy, małej częstotliwości — BDAP35, BDP491, D l 35; mocy, przełączający — BDCP25, BDY23, BU406, D23, U406; o wielkiej częstotliwości — BFAP19, BFP519, FI 67. o o o o o
Przy produkcji tranzystorów dąży się do osiągnięcia jak największej wartości iloczynu wydzielanej mocy i maksymalnej częstotliwości generacji. Dużą war tość wydzielanej mocy m ają tranzystory, których powierzchnia złącza baza-kolektor jest duża. N atom iast dużą wartością częstotliwości generacji od znaczają się tranzystory o bardzo małej rezystancji rozproszonej bazy i poje mności złącza kolektorowego oraz o bardzo dużej częstotliwości granicznej (tranzystor w układzie OB).
T a b e l a 8.3 Param etry tranzystorów w zależności od konfiguracji [1] -- - ^ P o łą c z e n ie P a ra m e tr^ -~ ~ ^ _
OB
OE
OC
Rezystancja wejściowa
mała (kilkadziesiąt omów)
średnia (kilkaset omów)
bardzo duża (kilkaset kiloomów)
Rezystancja wyjściowa
bardzo duża (kilkaset kiloomów)
duża (kilkadziesiąt kiloomów)
mała (kilkadziesiąt omów)
Wzmocnienie prądowe (przenoszenie prądowe)
nieco mniejsze od jedności
kilka do kilkuset
kilka do kilkuset
Wzmocnienie napięciowe
kilkaset do kilku tysięcy
kilkaset do kilku tysięcy
nieco mniejsze od jedności
Wzmocnienie mocy
kilka tysięcy
kilka do kilkudzie sięciu tysięcy
kilkadziesiąt tysięcy
Napięcie sygnału wejściowego i wyj ściowego przy małych częstotliwościach
w fazie
odwrócone o 18()';
w fazie
Częstotliwość graniczna 3 dB spadku wzmocnienia prądowego
duża, równa f\
mała, równa J],
mała, równa J],
Częstotliwość granicz na spadku wzmocnie nia napięciowego
duża, rzędu f T
duża, rzędu f T
bardzo duża, większa od f T
Układy elektroniczne z tranzystoram i germanowymi mogą być zasilane ze źródeł o niższym napięciu około 1,5 V, natom iast z tranzystoram i krzemo wymi — ze źródeł o napięciu około 6 V. Poza tym tranzystory germanowe można stosować w układach, w których pracują one przy większych często tliwościach granicznych niż tranzystory krzemowe. Tranzystory germanowe charakteryzują się mniejszymi napięciami na złączach w stanie przewodzenia i większymi prądami zerowymi niż tranzystory krzemowe. Tranzystory pracujące w różnych konfiguracjach mają różne param etry, które zebrano w tab. 8.3. W układach bardzo wielkiej częstotliwości stosuje się tranzystory w kon figuracji OB. We wzmacniaczach przeciwsobnych stosuje się pary tranzystorów typu N PN oraz PNP, które mają bardzo zbliżone param etry. Nazywa się je tranzys torami komplementarnymi. Tranzystory te są przeciwnie spolaryzowane; prądy w nich płynące mają przeciwne kierunki. Pytania kontrolne: 1. Jak klasyfikujemy tranzystory? 2. Czym różnią się tranzystory bipolarne NPN i PNP? 3. Co to jest polaryzacja normalna tranzystora bipolarnego? Porównaj ją z in nymi rodzajami polaryzacji. 4. Narysuj rozpływ prądów i spadki napięć między poszczególnymi elektrodami tranzystora i omów związki między nimi. 5. Na czym polega ładunkowy opis działania tranzystora? 6. Jakie znasz stany i układy pracy tranzystora bipolarnego? 7. Co ogranicza obszar aktywnej pracy tranzystora? 8. Porównaj charakterystyki tranzystora w układzie OB i OE. 9. Jakie są różnice w schematach zastępczych tranzystora? 10 Co to jest transkonduktancja? 11. W jaki sposób wyznaczamy parametry macierzy h z charakterystyk tranzys tora? 12. Co oznacza wielkość U Ce s ? 13. Jakie częstotliwości graniczne występują w tranzystorze i czy są one powią zane ze sobą? 14. W jaki sposób odbywa się przełączanie tranzystora bipolarnego? 15. Czy występują analogie między przełączaniem diody i tranzystora7 16. Jak klasyfikujemy tranzystory bipolarne? 17. Dlaczego parametry tranzystorów pracujących w różnych układach pracy róż nią się? 18. W jaki sposób są oznaczane tranzystory bipolarne? 19. Do jakiego typu zaliczymy tranzystor, którego 1/^ = 2 V, l/f l=2,7 V, Vc = 6 V lub VE= 5 V, l/f l- 4 .3 V. l/c = 1 V?
112
20. Oblicz a tranzystora, którego [i wynosi: a) 50; b) 150; c) 300; ci) 600. 21. Jaka jest wartość współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora, jeżeli jego prądy mają następujące wartości: a) //;= 2 mA, /c =1,98 mA, l c u o = 20 //A; b) l E= 1 mA, /c = 0,999 mA, /cbo = 200 nA; c) /Ł-=1,5 mA, /c =1,49 mA, /cuo= 20 mA? 22. Oblicz prądy zerowe tranzystora, wiedząc że /j?=200, In—2 mA, /c =1,99 mA. 23 Oblicz transkonduktancję i konduktancję wejściową tranzystora w układzie OB i OE, jeżeli: a) l E= 2 mA; b) ///= 1 mA; c) l E= 1,5 mA. Wartości /i przyjmij z zadania 20. 24. Oblicz czasy przełączania tranzystora, jeżeli: Er = 4 V, £«= 1 *V, R , - 7 kil, /?c = 5 kD, ¿7^=6 V, C7c=2,5 pF lub 4,5 pF, C = 12 pF lub 10 pF, /(,= 1 ns lub 1,5 ns, t v= 80 ns lub 100 ns, /?=200 lub 100.
K — P od staw y e le k tro n ik i I
PRZYPOMNIJ SOBIE: E lektronika: o Polaryzację złącza w kierunku zaporowym i w kierunku przewodzenia (rozdz. 6.3). o Charakterystykę diody (rozdz. 7).
9. E lektroniczne e lem en ty przełączające Elementami przełączającymi są: tranzystor jednozłączow y, tyrystor, dynistor, diak, triak (labl. 9.1). Elementy przełączające mają charakterystykę prądowo-napięciową typu S (rys. 9.1) i pracują w dwóch stanach:
T a b l i c a 9.1 Tyrystory [1]
Liczba końcó wek
Rodzaj pracy w 111 ćwiartce
Liczba warstw Stosowane półprze nazwy w odniko wych
Symbole graficzne obowią zujące
C harakterystyka
spotykane w literaturze
A o— ^ Bloko wanie
4
Ao—
Dynistor
r
U
— o/c o
i
um
A o- ( m ) — oK ? / Przełą czanie
5
Diak
HÄ-
'L _ -0------- V " ' - 1 i
Bloko wanie
4
Tyrystor
tti
A o—
— oK '— OG
|U
.
0
u
o
ir
l
3 /' Przełą czanie
114
5
Triak
1. Blokow ania (zwany również stanem wyłączenia, który charakteryzuje się bardzo dużą rezystancją elementu). 2. Przewodzenia (zwany również stanem włączenia, który charakteryzuje się bardzo małą rezystancją elementu).
Rys. 9.1. Charakterystyka elementu przełączającego [1]
9.1. Tranzystor jednozłączow y Strukturę, symbol, sposób polaryzacji oraz schemat zastępczy tranzystora jednozłączowego pokazano na rys. 9.2. Tranzystor polaryzuje się w następu jący sposób: 1) do bazy drugiej doprowadza się wyższy potencjał niż do bazy pierwszej; 2) złącze emiter-baza pierwsza polaryzuje się w kierunku przewodzenia. Charakterystyka prądow o-napięciow a tranzystora jednozłączowego jest przedstawiona na rys. 9.3. Jeżeli napięcie między bazami będzie miało war tość zero, to tranzystor będzie się zachowywał jak dioda (krzywa 1). Podczas zwiększania napięcia UBn przez tranzystor płynie coraz większy prąd, w związku z tym potencjał w punkcie E ’ (rys. 9.2c) również się zwiększa. hi — Ulinl(rln + rn2) , U E ’ — I n ■ f 't i i =
T }U m
i
»
przy czym rDl, r0l — rezystancje obszarów półprzewodnika, odpowiadające obszarom między emiterem a bazą pierwszą bądź drugą; tj — wewnętrzny współczynnik blokowania (wynosi on ok. 0,6).
Przy napięciu między emiterem a bazą pierwszą mniejszym od wartości U e ' + U (£7 = 0,5 -i- 0,7 V dla złącza krzemowego), płynie bardzo mały prąd i tranzystor jest w stanie nieprzewodzenia. Po przekroczeniu tego napięcia, złącze emiter-baza pierwsza jest polaryzowane w kierunku przewodzenia i płynie przez nie bardzo duży prąd. Jeżeli rezystancje bazy byłyby stałe, to przy wzroście napięcia zasilania UEe, prąd rósłby zgodnie z krzywą 2. N aras tanie prądu emitera powoduje wzrost koncentracji nośników w bazie, a tym samym zmniejszenie rezystancji bazy, co z kolei przyczynia się do zwięk szenia spadku napięcia na złączu. Obniżenie potencjału na emiterze wpływa 8'
115
b)
a)
+ + Uee -t-
Rys. 9.2. Tranzystor jednozhjczowy: a) polaryzacja; 6) symbol graficzny; c) schemat zastępczy [6] UEE, Umi — napięcie polaryzujące, rm, r„2 — rezystancja obszaru bazy pierwszej i drugiej, U — napięcie na złączu baza-emiter, b — długość bazy, u — dlugosfć bazy, dla której jest określana rezystancja rB,. N, P — obszary półprzewodnika
Rys. 9.3. Charakterystyka tranzystora jcdnozłączowego [6] Imax — maksymalny prąd emitera, /,----prąd doli ny, /;* — prąd szczytu i odpowiadające mu napię cie Uf, UHia, — napięcie nasycenia, 1 — charak terystyka diody, 2 — odcinek charakterystyki dla stałej rezystancji bazy, 3 — odcinek charaktery styki przy zmniejszającej się wartości rezystancji bazy i przy wzroście prądu emitera
na zwiększenie płynącego prądu (krzywa 3). Napięcie na emiterze potrzebne do przełączenia tranzystora wynosi od ł do 3 V. Najważniejszymi param etram i tranzystora jednozłączowego są: o wewnęrzny współczynnik blokowania; o rezystancja m iędzybazowa (rjn+rn2); o napięcie nasycenia (napięcie emiter-baza pierwsza, przy maksymalnym prądzie emitera); o prąd doliny; o prąd szczytu. Tranzystorów jednozłączowych używa się do budowy przerzutników astabilnych, bistabilnych i monostabilnych.
9.2. Bynistor D y n isto r jest to elem ent półprzew odnikow y o stru k tu rz e czterow arstw owej typu N P N P (rys. 9.4«). Warstwy te są różnej szerokości i mają różne wielkości koncentracji nośników. Obszar Pj nazywamy anodą, a ob 116
szar N2 — katodą. T aką strukturę można traktow ać jako połączenie dwóch tranzystorów: typu PN P i NPN (rys. 9.46). Warstwy Pi i N2 będziemy nazywać emiterem, a warstwy N, i P2 — bazami, złącze środkowe zaś — kolektorem. Charakterystykę prądowo-napięciową dynistora przedstawia rys. 9.4c’; jest ona taka sama jak charakterystyka złącza PN. Rozróżnia się trzy stany pracy dynistora: 1. Zaporowy. 2. Blokowania. 3. Przewodzenia. aj
Katoda (K)
b)
n2 N++\ P± : V : .••• ' P,r. . N
U
:
p ++-
Anoda (A)
C)
Rys. 9.4. Dynistor; a) struktura; /;) reprezentacja tranzystorowa [6]; c) charakterystyka [1]
a)
Złącze
+1-
Ztącze
+1-
-u.J AK
Złącze Złącze
+3-
+2-
U(BD) UAK
Przebicie
b)
Napiecie włączenia
Złącze
+1-
Ztącze Złącze
-3++2-
Ztącze Złącze
-3++2Rys. 9.5. Zasada działania dynistora: a) w stanie blokowania; /;), c) — w sta nic przewodzenia — rekom binacja, £ — generacja, a u — współczynniki wzmocnienia prądowego, /,.( — prąd anody, [ K — prad katody. Cyfry w nawiasach oznaczają ilość nośników (dziur, elektronów) r
117
D ynistor jest w stanie zatkania, jeżeli anoda jest polaryzowana ujemnie względem katody. Złącza N j P j i N 2P2 są polaryzowane zaporowo, a złącze N t P2 — w kierunku przewodzenia. Napięcie polaryzacji odkłada się na złączu N, P ,, a prąd płynący przez dynistor jest bardzo mały i równy sumie prądów wstecznych złączy N j P j i N2P2. Stan blokowania i przewodzenia uzyskuje się przy polaryzacji anody napię ciem dodatnim względem katody. Zasadę działania dynistora w stanie bloko wania wyjaśniono na rys. 9.5«, a w stanie przewodzenia — na rys. 9.5b, c. Przełączenie d y n isto ra może nastąpić w wyniku: o powielania lawinowego nośników w kolektorze, przy dużym napięciu pola ryzującym dynistor; o wzrostu prądu generacyjnego pod wpływem temperatury; o gwałtownego wzrostu napięcia między anodą i katodą. Wyłączenie dynistora następuje przy znacznym obniżeniu napięcia pomiędzy anodą a katodą.
9.3. Diak D iak jest to d y n isto r sym etryczny, którego struktura i charakterystyka jest przedstawiona na rys. 9.6. Zasadę działania diaka wyjaśnia się na podstawie dwóch struktur czterowarstwowych (P^N-jPiNj i P]N2P2N,).
a)
A
Rys. 9.6. Diak: a) h) charakterystyka fl]
struktura;
9.4. Tyrystor T y ry sto r jest to elem ent półprzew odnikow y o stru k tu rz e czterow arstw ow ej typu N P N P , k tó ry m a trzecią końców kę zw aną b ram k ą . Strukturę oraz charakterystykę prądowo-napięciową tyrystora przedstawiono na rys. 9.7. 118
Przełączenie tyrystora może nastąpić w wyniku przepływu prądu przez bramkę. Im jest mniejsze napięcie między anodą a katodą, tym większy musi być prąd bramki, aby nastąpiło przełączenie tyrystora. M ożna go wyłączyć dopiero wówczas, gdy przez bramkę nie będzie płynął prąd i gdy zmniej szymy napięcie między anodą a katodą. Źródła zasilające są tak dobrane, aby polaryzować złącze N 2P2 dwa razy silniej, w wyniku czego złącze to wstrzykuje więcej nośników, powodując dodatnie sprzężenie zwrotne między złączem N ,Pj i N2P2.
9.5. Triak Triak jest to tyrystor symetryczny o strukturze i charakterystyce takiej, jak przedstawiono na rys. 9.8. Przełączanie triaka następuje pod wpływem ujemnego prądu bramki.
o) S Jl 5 P3
Nz
Rys. 9.8. Triak: a) struktura; b) charakterystyka[l]
. 119
9.6. Parametry i zastosowanie tyrystorów Najważniejszymi parametrami tyrystorów są: o napięcie przełączania, przy zerowym prądzie bramld; o prąd trzymania — najmniejsza wartość prądu płynącego przez tyrystor, przy której nie następuje jego wyłączenie; o prąd przełączający bramki — wartość prądu powodującego przełączenie tyrystora, przy określonym napięciu między anodą a katodą; o czas włączania; o czas wyłączania. Tyrystory stosuje się w: o układach zasilania — jako regulatory mocy; o autom atyce— jako styczniki; o innych układach elektrycznych — jako przerywacze prądu stałego, sterowniki prądu przemiennego.
Pytania kontrolne: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
Czym charakteryzują się elementy przełączające? Porównaj tranzystor jednozłączowy z tranzystorem bipolarnym. Czym różni się dynistor od diaka, a czym od tyrystora? Jaka jest zasada działania tyrystora? Narysuj i omów przebieg charakterystyki prądowo-napięciowej tyrystora. Wymień parametry tyrystora. Gdzie stosuje się tyrystory?
PRZYPOMNIJ SOBIE! Elektronika: o Co to jest półprzewodnik unipolarny (rozdz. 4.4). o Co dzieje się z nośnikiem prądu w półprzewodniku (rozdz. 4.4).
10. T ran zysto ry poi o w e (u n ip o larn e — FET) Tranzystory polo we w skrócie zwane FET (ang. Field Effect Trcmsisłor), są również nazywane unipolarnymi. T ran zy sto ry te m ają k anał typu N lub P, któ ry m oże być w zbogacany lub zubożany. W tranzystorach unipolarnych elektrody mają następujące nazwy i oznacze nia: S — źródło (ang. Source), G — bramka (ang. Gate), D — dren (ang. Drain). W tranzystorach polowych w przepływie prądu biorą udział nośniki więk szościowe jednego rodzaju — dziury lub elektrony (stąd nazwa unipolarne). W tranzystorach z kanałem typu N nośnikami prądu są elektrony, a z kana łem typu P — dziury. W artość prądu przepływającego przez tranzystor połowy, zależy od wartości napięcia przyłożonego między źródłem a drenem oraz od wartości rezystancji kanału, która wyraża się wzorem
q(.iN h\v w którym:
fi,
N — ruchliwość i koncentracja nośników w kanale; l, h, u> — wymiary kanału.
Tranzystory połowę dzielimy na: o złączowe (ze złączem PN) — rys. 10.1; o z izolow aną bramką — rys. 10.6. Warstwy przejściowe fzubozane)
Ilys. 10.1. Konstrukcja tranzystora złą czowego [1] S — źródło, G — bramka, D — dren
121
10.1. T ra n zy sto ry polow e złą czo w e ( J F E T ) 10.1.1. Zasada działania Tranzystory polowe złączowe, których symbole przedstawiono na rys. 10.2, należy polaryzować tak, aby: o nośniki poruszały się od źródła do drenu, o złącze bramka-kanał było polaryzowane zaporowo. Zasadę działania tranzystora JF E T (ang. Junction Field Effect Transistor) ilustruje a) b) rys. 10.3. Jeżeli napięcie UGs = 0 i U os -o 0 ma małą wartość (rys. 10.3«), to prąd -o 5 zmienia się liniowo w funkcji przykłada Rys. 10.2. Symbole graficzne tranzysto nego napięcia (tranzystor zachowuje się rów złączowych: a) z kanałem typu N; jak rezystor). Podczas narastania napię /;) z kanałem typu P [l] cia UDS złącze kanał-bram ka (PN) jest coraz silniej polaryzowane zaporowo, przy czym polaryzacja ta jest silniejsza w pobliżu drenu (rys. 10.3/;). Przy pewnej wartości napięcia U Ds = U DSsal = Up, następuje zamknięcie (odcięcie) kanału (rys. 10.36’) przy drenie. Dalszy wzrost napięcia powoduje, że kanał jest zamykany coraz bliżej źródła (punkt Y - Y ’). Przyrost napięcia rozkłada się na warstwie zaporowej, nie powodując dalszego wzrostu prądu. Tranzys tor wchodzi w stan nasycenia, a prąd przez niego płynący jest prądem nasycenia. Ze wzrostem napięcia Ugs' ° maleje wartość płynącego przez tranzystor prądu; o przy mniejszych wartościach napięcia UDs następuje za mknięcie kanału, czemu odpowiada mniejsza wartość prądu nasycenia (patrz rys. 10.4/7).
0< UDS< \ilp\
UDS-0
0)
d)
G ^ s = I^dI
Rys. 10.3. Zasada działania tran zystora złączowego: a) brak pola ryzacji; b) rozszerzenie się w ar stwy zaporowej w wyniku przyło żonego napięcia Uos.' <-*) odcięcie kanału ( i7); d) nasycenie tranzys tora [6] Up=Uc,si>u — napięcie odcięcia kanału
10.1.2. Charakterystyki i param etry Z powyższych rozważań wynika, że przewodzący tranzystor połowy złączo wy ma dwa zakresy pracy: liniowy i nasycenia. W zakresie liniowym, przy równomiernym rozkładzie domieszek w kanale prąd drenu /» = Go (l —yjOos/Ui>)(Jos przy szpilkowym rozkładzie domieszek w kanale In =
P[{UGs-UP)UDs - U i s ¡ 2 \
;
fi = Gol Up. W zakresie nasycenia, przy równomiernym rozkładzie domieszek w kanale, prąd nasycenia drenu I dJ I
do
= I-2 U
gs! U p
+ 2(U
g s / U p ) 212
;
I do — —GqUp /3 ; przy szpilkowym rozkładzie domieszek w kanale IdsM= (KUGs - U p ) 2I2 . W praktyce najczęściej występuje szpilkowy rozkład domieszek. Charakterystyki tranzystora złączow ego są następujące: 1) przejściowa — zależność prądu drenu (ID) od napięcia bram ka-źródło (Ugs), przy stałym napięciu dren-źródło (Uos) — rys. 10.4«; 2) wyjściowa — zależność prądu drenu (ID) od napięcia dren-źródło {UDS), przy stałym napięciu bram ka-źródło (Uas) — rys. 10. 4b.
Rys. 10.4. Charakterystyki tranzystora złączowego: a) przejściowa [I]; b) wyjściowa [6] ci — odpowiada stanowi z rys. 10.3«, b — odpowiada stanowi z rys. 10.3/), c — odpowiada stanowi z rys. It).3(\ cl — odpowiada stanowi z rys. 10.3«/
123
Do param etrów tranzystora złączowego zaliczamy: o rezystancję kanału — jej wartość jest bardzo duża (kil); o prąd nasycenia drenu — przy określonym napięciu dren-źródło jest on w granicach od 2 do 25 mA; o napięcie bram ka-źródło — wynosi ono od 0 do. —7,5 V. Przykładowe oznaczenia tranzystorów złączowych produkcji polskiej są na stępujące: BF245, BFR30 i BFR31.
10.1.3. Schem at zastępczy Dla tranzystora złączowego, tak jak i dla tranzystora bipolarnego, można utworzyć schemat zastępczy (model), który przedstawiono na rys. 10.5. W modelu tym, Cgs i Cgd są to pojemności warstwy zaporowej, ggs i ggd — konduktancje bram ka-źródło i bram ka-dren, gm — transkonduktancja, a gd!, — konduktancja wyjściowa. Są one określone zależnościami: gm = fiU d s
transkonduktancja dla zakresu nienasycenia;
gm = fi(Uos~ Up)
transkonduktancja dla zakresu nasycenia;
gds = fi{UGS— UP— UDs) konduktancja wyjściowa dla zakresu nienasycenia; gds = 0 konduktancja wyjściowa dla zakresu nasycenia.
Rys. 10.5. Schemat zastępczy tranzystora złączowego [ I]
Częstotliwość maksym alna w tranzystorze zależy od czasu przelotu nośników przez kanał i od stałej czasowej ładowania pojemności kanał-bram ka Cff, i jest równa częstotliw ości granicznej f T= \/2 n r dCtJ . M aksym alna częstotliwość generacji
przy czym rd oznacza rezystancję kanału.
124
10.2. T ra n zy sto ry polow e z izo lo w an ą bram ką (IG F E T ) T ra n zy sto r z izolow aną b ram k ą (rys. 10.6) jest to najczęściej tran zy sto r o k o n stru k cji M IS (ang. M etal Insulator Semiconductor) z kanałem typu N lub P, izolow anym od b ram ki w arstw ą dielektryka.
(małe)
a)
b)
,1+ Uos 1+^65 _G
Obszar
.ImTilhiitm.
łn
zubożony ------------
^DS-Unssat
—1 ,l+ % G
^DS
>^DS SOt
Jh
. ..cTTr
li.;.
Kanał B
\B
Rys. 10.6. Zasada działania tranzystora z izolowaną bramką: a) zakres liniowy: b) odcięcie kanału; c) nasycenie tranzystora [1] B — podłoże
W zależności od zjawisk fizycznych i od polaryzacji bramki, w tranzystorze tym może powstać: o k an ał indu k o w an y , tzn. kanał w postaci warstwy inwersyjnej (np. kanał typu N ma bardzo dużo elektronów, a mało dziur); o k a n a ł w budow any, tzn. kanał w postaci warstwy akumulacyjnej wzbogacanej (np. kanał typu N ma dużo dziur i bardzo dużo elektronów) lub zubożanej (np. kanał typu N ma mało elektronów i mało dziur), które są inaczej określane jako warstwy domieszkowane o przeciwnym typie przewodnictwa w stosunku do podłoża.
10.2.1. Zasada działania tranzystora M IS Zasadę działania tranzystora MIS omówimy na przykładzie najczęściej spo tykanej polaryzacji, tj. przy zwartym źródle i podłożu. Jeżeli do bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie, to powstanie kanał wzbogacony, a je śli ujemne — to kanał zubożony. W tranzystorze z kanałem wzbogaconym, wzrost napięcia U g s powyżej wartości napięcia progowego U r powoduje powstanie kanału. N apięcie progow e i ' r jest to napięcie, jakie należy przyłożyć do bram ki, aby pow stała w arstw a inw ersyjna. Każdy następny przyrost napięcia U GS powoduje przyrost ładunku wprowadzanego przez bramkę, który jest kompensowany ładunkiem nośników' powstającego kana łu. W tranzystorze z kanałem zubożonym, wzrost napięcia U g s powoduje silniejsze zubożenie kanału, aż wreszcie przy pewnej jego wartości, równej tzw. napięciu odcięcia UGs0^ kanał zanika. 125
Jeżeli napięcia UDs i UGs będą porównywalne, to prąd drenu będzie zależny liniowo od napięcia UDS — kanał pełni wówczas funkcję rezystora liniowego (rys. 10.6(7). Dalszy wzrost napięcia UDS powoduje, tak jak w tranzystorze złączowym, spadek napięcia na rezystancji kanału (modulacja rezystancji kanału). W okolicy drenu następuje zmniejszanie inwersji, aż do całkowitego jej zaniku. Mówimy wtedy o odcięciu kanału. W artość napięcia UDS, przy której następuje odcięcie kanału nazywamy napięciem nasycenia (rys. 10.6/?). UDSsat — Ugs ~ Uj. Dalszy wzrost napięcia UDs nie powoduje już wzrostu prądu drenu, ale wpływa na odcięcie kanału bliżej źródła. Mówimy wówczas, że tranzystor pracuje w stanie nasycenia (rys. 10.6c).
10.2.2. Charakterystyki i param etry tranzystora M IS Podstawowymi charakterystykam i tego tranzystora są: o charakterystyka przejściowa — zależność prądu drenu od napięcia bramka-źródlo, przy stałym napięciu źródło-dren; o charakterystyka wyjściowa — zależność prądu drenu od napięcia źródło-dren, przy stałym napięciu bram ka-źródło. Rodziny charakterystyk oraz symbole różnych rodzajów tranzystorów MIS przedstawiono w tabl. 10.1. W zakresie liniowym prąd drenu Id
= P [(UG- UT) (UD- U s) ~ (U5 - UD l 2].
Jeżeli źródło zostanie uziemione, to I d = ( 1 [( Ug s ~ U t ) U os — U h / 2 j .
W zakresie nasycenia prąd drenu Id = (](Ug s- U
t ) 2! 2 .
Param etram i tranzystora MIS są: o napięcie progowe — UT; o napięcie odcięcia — U a s 0n' o prąd nasycenia, p rz y z w a rty m
ź ró d le
i
b ram ce ,
i ^ = P ( u as- u Tyi2-, o rezystancje kanału, przy maksymalnym prądzie drenu; o rezystancje kanału, przy wyłączonym kanale. Schemat zastępczy tranzystora MIS przedstawiono na rys. 10.7.
126
T a b l i c a 10.1 Rodzaje tranzystorów z izolowaną bram ka [6]
Transkonduktancja tranzystora MIS w zakresie liniowym g m = f iU d s\
w zakresie nasycenia gm = P ( U GS- U T).
Częstotliw ości graniczne tranzystora MIS wyznacza się podobnie, jak tran zystora złączowego — przy czym jT
~ g i n / C g s -
Rys. 10.7. Schemat zastępczy tranzystora z izolowaną bram ką [1] — konduktancja wyjściowa, — trans konduktancja, gos — konduktancja wejściowa, C„, — pojemność źródlo-bram ka, C!)h — poje mność bram ka-podloże, Cgj — pojemność dren-bram ka, Cch — pojemność dren-źródlo
S,B o
127
Tranzystory polowe mogą pracować w trzech podstawowych konfiguracjach: 1. Układ o wspólnym źródle — OS (odpowiednik układu OE tranzystora unipolarnego). 2. Układ o wspólnej bramce — OG (odpowiednik układu OB). 3. Układ o wspólnym drenie — OD (odpowiednik układu OC). P ytan ia ko n tro ln e:
1. Porównaj strukturę i działanie tranzystora unipolarnego i bipolarnego. 2. Jaka jest różnica między zasadą działania tranzystora złączowego i tranzystora z izolowaną bramką? 3. Jakie parametry ma tranzystor złączowy, a jakie tranzystor z izolowaną bramką? 4. Jakie są częstotliwości graniczne w tranzystorach polowych? 5. Co oznacza pojęcie „odcięcie kanału"? 6. Jaka jest różnica między napięciem progowym a napięciem odcięcia?
P R Z Y P O M N IJ S O B IE : Fizyka: o o o o o
Pojęcie energii kwantu promieniowania elektromagnetycznego, Pojęcie długości fali elektromagnetycznej. Związek między długością a częstotliwością fali elektromagnetycznej, Zakres długości fal promieniowania widzialnego, Zagadnienie kwantowego charakteru światła.
E lektro nika: o Zasadę pracy światłowodu (rozdz. 2.3). o Zachowanie się nośnika w półprzewodniku (rozdz. 4.4). o Polaryzację złącza w kierunku zaporowym i w kierunku (rozdz. 6.3).
przewodzenia
11. Elementy i podzespoły optoelektroniczne 11.1. Dioda elektrolum inescencyjna 11.1.1. Zasada działania Dioda elektroluminescencyjna (rys. l l . l ) jesl źródłem promieniowania wi dzialnego (dioda LED, zwana również świecącą), jak i niewidzialnego — promieniowanie podczerwone (dioda IR). Dioda pracuje prawidłowo przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia. Z asad a działania diod elektrolum inescencyjnych jest o p a rta na zjaw isku elektrolum inescencji, k tó re polega na zam ianie energii nośników ła d u n ku (elektronów) na energię p rom ienistą (jest to rekombinacja) i w yem ito waniu k w an tu prom ieniow ania w postaci fo to n u . D ługość fali generow anego (em itow anego) p rom ieniow ania
przy czym: Wa= W c — Wv — szerokość pasm a zabronionego (od 1,35 eV do 2,25 eV) lub różnica energii poziomów, między którymi zachodzi rekombinacja, c — prędkość światła, h — stała Plancka.
') — P od staw y e le k tro n ik i I
129
Rys. 11.1. Symbol diody elektrolumine scencyjnej i jej schemat zastępczy [11] .•1 — anoda, K — katoda
Rys. 11.2. Charakterystyka widmowa prom ieniowania diody elektrolumine scencyjnej [11]
A/l —
szerokość p o łów kow a, ż
Długość fali emitowanego promieniowania zwiększa się ze wzrostem tem peratury złącza. Diody emitują promieniowanie w bardzo wąskim przedziale widma: od 490 nm — kolor niebieski, do 950 nm — bliska podczerwień (rys. 11.2). Diody elektroluminescencyjne są wytwarzane z materiałów półprzewodniko wych (pierwiastki z III i V grupy układu okresowej, takich jak: GaAs, GaP i GaAsP, o odpowiednim domieszkowaniu), charakteryzujących się dużą sprawnością emisji promieniowania. Diody emitują promieniowanie o bar wach: niebieskiej, żółtej, zielonej, pomarańczowej, czerwonej. Produkuje się również diody świecące kilkoma kolorami.
11.1.2. W łaściwości optyczne i elektryczne Param etrami optycznymi diody elektroluminescencyjnej są:
o strumień energetyczny — S e (moc emitowana przez diodę IR), wyrażany w watach, lub strumień świetlny (moc emitowana przez diodę święcącą), wyrażany w lumenach. W artość mocy emitowanej przez diodę rośnie ze wzrostem prądu przewodzenia, a maleje ze wzrostem tem peratury złącza; o natężenie promieniowania — Je (stosunek strumienia energetycznego do kąta bryłowego — dla diod IR), którego jednostką jest wat na steradian; o światłość (stosunek strumienia świetlnego do kąta bryłowego — dla diod LED), wyrażana w kandelach. Natężenie promieniowania i światłość zwię kszają się ze wzrostem prądu przewodzenia; 130
o połówkowa szerokość spektralna promieniowania — AA (szerokość pa sma promieniowania, definiowana jako różnica długości fal A2—Ai, dla których moc emitowana osiąga połowę swej wartości maksymalnej). Param etry optyczne diod elektroluminescencyjnych określa się również na podstawie: 1) charakterystyki widmowej (zależność mocy emitowanej — strumienia energetycznego lub strumienia świetlnego — od długości fali emitowanego promieniowania) — rys. 11.2; 2) charakterystyki kątowej promieniowania diody (zależność mocy emito wanej od wartości kąta mierzonego od osi diody) — rys. 11.3. Diody elektroluminescencyjne mają takie same param etry elektryczne jak inne diody, tj. prąd przewodzenia (może być ciągły lub impulsowy), napięcie przewodzenia, napięcie wsteczne oraz moc strat, która wynosi od kilku dziesięciu do kilkuset mW, a jej wartość zależy od tem peratury złącza. Bardzo ważnym param etrem diody jest sprawność kwantowa zewnętrzna (stosunek liczby fotonów wyemitowanych przez diodę do liczby nośników przepływających przez złącze), która maleje ze wzrostem tem peratury złącza. Trwałość diod wynosi około 105 godzin. Właściwości dynamiczne diod określa przebieg charakterystyki często tliwościowej, na której jest zaznaczona częstotliwość graniczna. |7est to czę stotliwość, przy której moc promieniowania maleje do połowy swojej w arto ści maksymalnej (rys. 11.4) i zależy od m ateriału półprzewodnikowego, do mieszkowania (czasu życia nośników) oraz technologii w ytw arzaniaj
Rys. 11.3. Charakterystyka kątow a dio dy elektroluminescencyjnej [11]
w anie
y
Rys. 11.4. Charakterystyka częstotliwo ściowa diody elektroluminescencyjnej [11] JB — częstotliwość graniczna
131
Zaletami diod elektroluminescencyjnych są: o mały pobór prądu, o mała wartość napięcia zasilającego, o duża sprawność, o mała moc strat, o małe rozmiary, o duża trwałość, o duża wartość luminacji. W zależności od zakresu emitowanego promieniowania, diody elektrolumine scencyjne można stosować jako: wskaźniki optyczne, wskaźniki stanów logi cznych, np. w kalkulatorach i zegarkach (diody świecące), oraz jako źródła promieniowania podczerwonego (diody IR).
11.2. Fotodetektory Fotodetektory (zwane również odbiornikami fotoelektrycznymi), ze względu na rodzaj wykorzystywanego zjawiska fotoelektrycznego, dzielimy na dwie grupy: 1. F o to d e te k to ry w ykorzystujące zew nętrzne zjaw isko fotoelektryczne — należą do nich fo to k a to d y , które są wykonywane z metali alkalicz nych. 2. F o to d e te k to ry w ykorzystujące w ew nętrzne zjaw isko fotoelektryczne — należą do nich: fotorezystory, fo to d io d y , fotoogniw a, fo to tra n zystory, fo totyrystory. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega na generacji swobodnych noś ników ładunku pod wpływem zaabsorbowanego przez półprzewodnik pro mieniowania elektromagnetycznego (oświetlenie półprzewodnika). W wyniku zaabsorbowanego promieniowania zmienia się jego przewodność elektryczna. Liczba wygenerowanych nośników ładunku jest wprost proporcjonalna do liczby fotonów promieniowania elektromagnetycznego padającego na pół przewodnik. Fotoprzewodnictwo, czyli przepływ prądu pod wpływem światła, występuje przy promieniowaniu elektromagnetycznym mieszczącym się w wąskim prze dziale widma, a jego natężenie zależy od tem peratury złącza. Fotoodbiorniki możemy sprzęgać z diodami elektroluminescencyjnymi, w ce lu przesyłania sygnałów na drodze optycznej. W ten sposób uzyskujemy przekazywanie sygnałów z jednego układu do drugiego, przy galwanicznym odseparowaniu tych układów. Tak powstały przyrząd nazywamy tran so p torem (dioda i fotodetektor w różnych obudowach) lub łączem o ptoelek tronicznym (dioda i fotodetektor w jednej obudowie). T ransoptor może być zamknięty (transmisja promieniowania między diodą i fotodetektorem na stępuje za pomocą światłowodu) lub otwarty (transmisja promieniowania między diodą i fotodetektorem następuje w powietrzu). 132
Elementy tego typu znajdują zastosowanie m.in. w: układach autom atyki i zdalnego sterowania, układach telekomunikacyjnych, urządzeniach alarm o wych, sygnalizacyjnych i kontrolno-pom iarowych.
11.2.1. Fotorezystor F o torezystorem nazyw am y elem ent półprzew odnikow y, w k tó ry m pod wpływem ośw ietlenia następuje zm iana jego przew odności, niezależnie od k ieru n k u przyłożonego napięcia zew nętrznego. Fotorezystory są wykonywane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe i PbTe. M ateriały te mogą być domiesz kowane. Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu i? s.\ \ 3’ ltf (zmniejsza się jego rezystancja). Prąd będący różnicą całkowitego prądu pły 10< nącego przez fotorezystor i p rą d u cie 3-103 m nego (prąd płynący przez fotorezys 103 tor przy braku oświetlenia) nazywamy 3-102 prąd em fotoelektrycznym . Jego w ar 102 tość zależy od natężenia oświetlenia 3*10 i jest określona zależnością 10 IP= G 'El , 1 3 10 30 102 3‘ 102 103 3-103 WHx
\
w której: G, y — wartości stałe zależne od m a teriału półprzewodnikowego i rodzaju domie szek, Ev — natężenie oświetlenia.
\
k
\
\
\
\
Rys. 11.5. Zależność rezystancji fotorezy stora od natężenia oświetlenia [11]
Podstawowym param etrem fotorezystora jest czułość w idm ow a (zależność rezystancji od natężenia oświetlenia — rys. 11.5). N a wartość czułości wpły wa rodzaj m ateriału i sposób jego domieszkowania — dobierane ze względu na przeznaczenie fotorezystora (rys. 11.6).
Rys. 11.6. C harakterystyka czułości widmowej fotorezystora przeznaczo nego do: [11] 1 — p racy w zakresie czerw onym w idm a p rom ienio w an ia, 2 — p o m iaró w św ietl nych. .? — w ykryw ania płom ieni
133
Rezystancja fotorezystora zależy również od jego wymiarów i dana jest wzorem R
e
= P~}
,
w którym: d — odstęp między elektrodam i, / — szerokość elektrod, p — rezystywnośe półprzewodnika.
Innym param etrem charakteryzującym właściwości fotorezystora jest współ czynnik n, określany jako stosunek rezystancji ciemnej do rezystancji przy danej wartości natężenia oświetlenia (np. 50 lx). «= — Rso ’ przy czym: R» — rezystancja ciemna, R Sq — rezystancja przy natężeniu oświetlenia równym 50 lx.
W artość rezystancji ciemnej zależy od stopnia czystości półprzewodnika i od liczby defektów sieci krystalicznej. Rezystancja ciemna jest około tysiąc razy większa od rezystancji przy oświetleniu 50 lx i zawiera się w przedziale od 106 £> do 1012 O. (dla porównania rezystancja przy oświetleniu słonecz nym jest rzędu kilkunastu lub kilkudziesięciu Q). Na podstawie charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora dobiera się właściwy obszar jego pracy. Charakterystyki te są liniowe w dużym zakresie napięć i prądów. Moc wydzielana w fotorezystorze zależy od powierzchni światłoczułej i spo sobu odprowadzania ciepła.
11.2.2. Fotodioda i fo to o g n iw o Zasada działania fotoogniw a i fotodiody półprzewodnikowej jest oparta na zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym, a ich nazwy wiążą się z ró żnymi rodzajami pracy złącza P N (patrz charakterystyka prądowo-napięciowa — rys. 11.7). Fotodiody wykonuje się głównie z krzemu. Fotodiody i fotoogniwa są charakteryzowane przez: a) param etr technologiczny: o powierzchnia światłoczuła; b) param etry elektryczne: o napięcie wsteczne, o rezystancja termiczna, o pojem ność złącza; c) param etry optyczne: o długość fali prom ieniowania, dla której czułość jest maksymalna, o widm owy zakres pracy Xx, a2. 134
I ćw iartka Charakterystyka diody Si w zakresie przewodzenia
V
I p = H uf ) dla dtodu nieoświetlonej lp= f(U f ) dla E1
/I / CS / s |
UP dla nieobciązonego fotaoqniwa
Up Ipo
I 2iV tila Ej
Ipjdla E1 Ip2 Ma e2
Rys. 11.7. Obszary pracy fotodiody i fotoogniwa [11] IP — twa,
prąd fot oprze wodnic— prąd zwarcia
IP2 dla E3 I I I ćwiartka jp Zakres pracy fotodiody
J
------ Izw
dla Ej
IV ćw iartka Zakres pracy fotoogniwa
F otodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem oświetlenia przez fotodiodę płynie prąd wsteczny, który zwiększa się ze wzrostem oświetlenia. W fotoogniw ie, pod wpływem oświetlenia wytwarza się siła elektrom otory czna polaryzująca złącze w kierunku przewodzenia, a kierunek płynącego prądu jest przeciwny do kierunku przewodzenia diody. Dla fotoogniwa określa się tzw. prąd zwarcia, którego natężenie jest propo rcjonalne do mocy promieniowania padającego na powierzchnię światłoczu łą. Jeżeli fotodioda i fotoogniwo są tym samym elementem, to wartość prądu zwarcia fotoogniwa jest równa w przybliżeniu wartości prądu fotoelektrycznego fotodiody.
11.2.2.1. W łaściwości fo to o g n iw a Schemat włączenia fotoogniwa do obwodu przedstawiono na rys. Podstawowymi param etram i fotoogniwa są: o fotoelektryczna siła elektrom otoryczna — u P; ____ o prąd zwarcia fotoogniw a — o sprawność energetyczna — Fa W artość siły elektromotorycznej zależy od rodzaju - j* — 0» m ateriału półprzewodnikowego i jego domieszkowa nia, oraz od natężenia oświetlenia. Przy wzroście natężenia oświetlenia (przy bardzo małych w artoś Rys. .8. Sposób włącze ciach natężenia) siła elektrom otoryczna początkowo nia fotoogniwa [11] /?,. — rezystancja obciążenia, rośnie liniowo, potem zaczyna narastać logarytmicz E„ — natężenie oświetlenia, nie, by wreszcie (przy znacznych wartościach natęU,, — siła elektromotoryczna 135
żenią oświetlenia — około 800 lx) osiągnąć wartość nasycenia równą 450 mV. N atom iast prąd zwarcia fotoogniwa zmienia się proporcjonalnie do zmian natężenia oświetlenia. Sprawność energetyczna fotoogniwa (zdolność przetwarzania energii promie niowania na energię elektryczną) zwiększa się wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia i wynosi od kilku do kilkunastu procent. Ważnym zagadnieniem dla prawidłowej pracy fotoogniwa jest określenie wartości rezystancji obciążenia (rezystancja dopasowania). W artość rezy stancji dobiera się na podstawie wykresu lub katalogu tak, aby przy danej wartości natężenia oświetlenia uzyskać m aksym alną moc fotoogniwa (rys. 11.9).
Rys. 11.9. Zależność param etrów fotoog niwa od natężenia oświetlenia [11] / i — optym alna rezystancja obciążenia, Popi — m oc m aksymalna, ;/ — sprawność ener getyczna
Parametrami optycznymi fotoogniwa są: o zakres długości fal prom ieniowania, przy których względna wartość czułości wynosi 50% swej maksymalnej wartości (jL —Aj jest rzędu 50 nm); o długość fali prom ieniowania, przy której występuje maksimum czułości (można ją przesunąć w stronę fal krótszych lub dłuższych, stosując od powiednie technologie). Charakterystyka czułości widmowej fotoogniw a — S(A) jest analogiczna do charakterystyki widmowej promieniowania diody elektroluminescencyjnej; jej kształt zależy od kąta padania promieniowania na powierzchnię światło czułą. Fotoogniwa są stosowane jako źródła zasilające układy elektroniczne pracu jące w trudno dostępnych miejscach lub jako czujniki w układach auto matyki. Fotoogniwa można łączyć szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle, w zależności od żądanej wartości siły elektromotorycznej i prą du obciążenia (można otrzymać fotoogniwo o mocy kilku watów).
136
11.2.2.2. W łaściw ości fo tod iod y N a rysunku 11.10 pokazano sposób włączenia fotodiody do obwodu elekt rycznego. Pracuje ona przy polaryzacji zaporowej. Przy braku oświetlenia, przez fotodiodę płynie prąd ciemny I 0 wywołany generacją termiczną nośników. Prąd ten narasta li 9+U niowo wraz ze wzrostem wartości napięcia wstecz nego. Prąd fotoelektryczny płynący przez fotodiodę jest proporcjonalny do mocy promieniowania padające go na jej powierzchnię, nie zależy natom iast od napięcia wstecznej polaryzacji i wartości obciąże nia. Fotodiodę można traktow ać jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia.
Rys. 11. 1 o. Sposób wlączenia fotodiody [li]
11.2.3. Fototranzystor F o to tra n z y sto r jest to elem ent półprzew odnikow y z dw om a złączam i PN , k tó ry działa tak sam o ja k konw encjonalny tra n z y sto r, przy czym jego p rą d k o lek to ra nie zależy od p rą d u bazy, lecz od natężenia pro m ie niow ania ośw ietlającego o b szar bazy. Fototranzystory wykonuje się głów nie z krzemu. N a rysunku l l . I I przedstawiono symbole graficzne fototran zystora, a na rys. 11.12 pokazano zasadę działania fototranzystora pla narnego. Oświetlenie fototranzystora powoduje wygenerowanie par elektron-dziura w warstwie typu P. Elektrony jako ujemne nośniki ładunku dyfundują w kie runku prawego złącza (kolektorowego) i przechodzą przez warstwę zaporową do prawego obszaru typu N (pod wpływem pola elektrycznego). Dziury nie mogą przejść do obwodu emiterowego z powodu istniejącej bariery potenc jału na złączu baza-emiter. Niemniej jednak część z nich ma dostatecznie dużą energię kinetyczną, aby przedostać się przez lewą barierę do obszaru typu N (emiter), gdzie ulegają rekombinacji. Te, które nie przeszły — powię kszają nieskompensowany ładunek dodatni, obniżając barierę energetyczną złącza emiterowego. W wyniku obniżenia bariery, elektrony z obszaru typu N pokonują ją, zwiększając strumień elektronów przechodzących z emitera do bazy, a potem do kolektora. Elektrony te zwiększają prąd kolektora w znacznie większym stopniu, niż elektrony, które powstały w wyniku gene racji par elektron-dziura bezpośrednio w obszarze bazy pod wpływem oświe tlenia. W ten sposób zachodzi wewnętrzne wzmocnienie prądu fotoeleklrycznego (współczynnik wzmocnienia wynosi 100 -f- 700). 137
a)
b) Okno bazi
1 W if
N
°£
Rys. 11.11. Symbole graficzne fo totranzystorów: a) bez wyprowa dzonej końcówki bazy; b) z wy prowadzoną końcówką bazy [11]
1
hD\
i
V e *
c
J 1
Rys. 11.12. Zasada działania foto tranzystora [11]
W fototranzystorach końcówka bazy może być wyprowadzona lub nie wy prowadzona na zewnątrz obudowy (rys. 11.13). W związku z tym fototran zystor może pracować jako: 1. F otoogn iw o (wykorzystuje się złącze kolektor-baza — rys. 11.13«). 2. F otodioda (wykorzystuje się złącze kolektor-baza, przy polaryzacji zapo rowej — rys. 11.136). 3. Fototranzystor bez wyprowadzonej końców ki bazy (pracuje jako nor malny fototranzystor — rys. 11.13c). 4. Fototranzystor z wyprowadzoną końców ką bazy (można go niezależ nie sterować optycznie i elektrycznie — rys. 11.13c/). Fototranzystor ma większą czułość w porów naniu z fotodiodą.
(Baza)
d)
c)
b)
a)
(Baza)
9+
(K olektor)
( K olektor)
0"ł*
\7 ( Baza)
ó+ (K olektor) Fotoogniwo
(Kolektor) Fotodioda
(E m ite r) Fototranzystor bez wyprawa dzanej bazy
(E m iter) Fototranzystor z wyprowa dzona, bazą
Rys. 11.13. Fototranzystor może pracować jako: a) fo toogniwo; b) fotodioda; c) fototranzystor bez wy prowadzonej końcówki ba zy; d ) fototranzystor z wy prow adzoną końcówką ba zy [11]
Kształt charakterystyki prądowo-napięciowej (rys. 11.14«) fototranzy stora jest identyczny z kształtem charakterystyki konwencjonalnego tranzy stora. Ze wzrostem tem peratury złącza zwiększa się prąd ciemny i prąd fotoelektryczny. W artość prądu ciemnego zależy również od napięcia U c e Również kształt jego charakterystyki czułości widmowej jest bardzo zbliżo ny do analogicznych charakterystyk fotodiod. N a rysunku 11.146 przed stawiono typową charakterystykę czułości widmowej fototranzystora. Czu łość fototranzystora zwiększa się wraz ze wzrostem napięcia polaryzacji. Istotny wpływ na czułość ma kierunek padającego promieniowania. 138
UC£
Rys. 11.14. F o to tran zy sto r: a) ch arak tery sty k a czułości w idm ow ej [11]
A ----------* -
p rąd o w o -n ap ięcio w a;
b) charak tery sty k a
11.2.4. Fototyrystor Fototyrystorem jest tyrystor umieszczony w specjalnej obudowie, um oż liwiającej oddziaływ anie prom ieniow ania świetlnego na jego przełączanie ze stanu blokow ania do przew odzenia. Im większe jest napięcie anoda-katoda fototyrystora, tym moc promieniowania potrzebna do przełączenia jest mniejsza. Istotną cechą fototyrystorów jest to, że po przełączeniu ich w stan przewodzenia, utrzymują się w nim nawet po zaniku impulsu świetlnego. Elementy te są głównie wykonywane z krzemu, wykorzystywane np. jako przekaźniki fotoelektryczne.
11.3. Półprzewodnikowe wskaźniki cyfrowe 11.3.1. Rodzaje wskaźników cyfrowych Półprzew odnikow ym wskaźnikiem cyfrowym nazyw am y przyrząd półprze wodnikowy zbudow any z diod świecących, który pod wpływem sygnałów elektrycznych wyświetla inform ację w postaci cyfr. Ze względu na technologię wykonania rozróżnia się wskaźniki cyfrowe: o hybrydow e, powstające w wyniku naniesienia diod świecących na izola cyjne podłoże struktur półprzewodnikowych; 139
o hybrydowe św iatłow odow e, wykonywane podobnie jak wskaźniki hyb rydowe, z tym że na diody są nałożone światłowody, dzięki czemu dioda oświetla większą powierzchnię (segmentu); o m onolityczne, wykonywane z jednej warstwy półprzewodnika. Wskaźniki hybrydowe charakteryzują się dużą wysokością wyświetlanego znaku. Obecnie produkuje się segmentowe i mozaikowe wskaźniki cyfrowe. We wskaźnikach segm entowych, znak (cyfra) jest tworzony w wyniku wybra nia określonej kombinacji segmentów. Najczęściej stosuje się 7-segmentowy układ cyfr w kształcie ósemki (rys. 11.15). Wskaźnik 7-segmentowy umożliwia odtworzenie wszystkich cyfr (0 -r- 9) oraz niektórych liter (A, C, E, F, H, I, L, O, P, S, U); przeważnie są one pochylone pod kątem 10°. Przy większych długościach segmentu (np. powyżej 2 mm dla diod GaAsP), w celu zwięk szenia powierzchni świecącej, stosuje się szeregowe połączenia kilku diod świecących lub światłowody. . We wskaźnikach segmentowych, wszystkie anody Rys. 11.13. Siedmioseg- / . . . , , , 7- , , , , meniowy wskaźnik cyfrowy (względnie katody) diod w obrębie danego wskaz[II] nika mają wspólne połączenia elektryczne. Wskaźniki m ozaikow e składają się z wielu diod świecących, a odpowiednią konfigurację znaku uzyskuje się w wyniku wy brania pojedynczych diod, które będą tworzyć dany znak. Wskaźniki tego typu są nazywane również wskaźnikami alfanumerycznymi. Wskaźniki mo zaikowe umożliwiają odtworzenie wszystkich liter i cyfr, a nawet pewnych symboli. Najczęściej spotykane wskaźniki mozaikowe składają się z 35 (7 x 5) pojedynczych diod świecących (jest to minimalna liczba). Wysokość wyświetlanego znaku zależy od konstrukcji wskaźnika cyfrowego. Przy wysokości znaku równej 20 mm, odczyt wyświetlanej informacji jest możliwy z odległości około 10 m, natom iast przy wysokości znaku równej 3 mm — odległość ta zmniejsza się do około 1 m. Diody świecące, stosowa ne we wskaźnikach cyfrowych, wykonuje się ze związków galu (GaAsP oraz GaP).
11.3.2. W łaściwości w skaźników cyfrow ych Półprzewodnikowe wskaźniki cyfrowe, obecnie najczęściej stosowane, mają następujące zalety: o mała wartość napięcia zasilającego; o duża niezawodność; o duża szybkość działania; 140
o dobra czytelność;
o duża powierzchnia cyfry w stosunku do objętości wskaźnika; o duży kąt obserwacji; o różnorodność barw. W adą wskaźników jest natom iast duży pobór prądu i małe wymiary cyfr. Param etrami półprzewodnikowych wskaźników cyfrowych są: o napięcie przewodzenia diod w segmencie, wykonanych z GaAsP — 1,7 V, a wykonanych z G aP — 2,1 V. Jeżeli napięcie przewodzenia będzie większe od wymienionego, to świadczy to o szeregowym połączeniu diod w segmencie. M aksymalna wartość napięcia wstecznego wynosi około 3 4 V dla każdej diody; o maksymalny prąd przewodzenia segmentu — przeciętnie wynosi on
kilkadziesiąt mA i zależy od konstrukcji wskaźnika; o m aksymalny kąt obserwacji — około 160°, przy spadku natężenia świat ła do 0,1 wartości maksymalnej. Zależy on od stopnia płaskości elementu świecącego oraz od jego umieszczenia w obudowie. Wskaźniki cyfrowe znalazły zastosowanie w: — przyrządach pomiarowych (miernikach cyfrowych, licznikach, testerach, wskaźnikach w elektrowniach i urządzeniach zasilających); — maszynach matematycznych, terminalach do wprowadzania i wyprowa dzania danych; — elektronice powszechnego użytku (kalkulatorach, zegarach cyfrowych, wskaźnikach optycznych w środkach komunikacji miejskiej itp.).
11.4. Wskaźnik» ciekłokrystaliczne (LCD) 11.4.1. P odstaw ow e w łaściw ości w skaźników LCD W skaźniki L C D (ang. Liquid Crystal Display) są to w skaźniki zaw ierające substancje zw ane ciekłym i kryształam i. Są to takie substancje organiczne, które w określonym przedziale tem peratury wykazują jednocześnie właściwo ści zarówno ciał stałych, krystalicznych (właściwości optyczne i elektryczne), jak i cieczy (płynność). Ciekłe kryształy charakteryzują się niewielkimi siłami oddziaływań międzycząsteczkowych, i do ich uporządkow ania są wystar czające małe siły elektrostatyczne. Strukturę ciekłego kryształu m ożna przy równać do dipoli umieszczonych w cieczy. W zależności od ułożenia tych dipoli wyróżnia się trzy możliwe struktury: smektyczną, nematyczną i chole sterolową. Najbardziej uporządkow aną wewnętrznie jest struktura smektyczna, składająca się ze ściśle równoległych cząsteczek, ułożonych w przyle gające warstwy. W strukturze nematycznej, dipole są usytuowane równo141
legie, wszystkie w tym samym kierunku. Struktura cholesterolowa cechuje się równoległym ułożeniem dipoli w warstwach przesuniętych względem sie bie o pewien kąt, co nadaje jej kształt śrubowy. Zasadę działania wskaźnika ciekłokrystalicznego LCD przedstawiono na rys. 11.16. W skaźnik zawiera dwie płytki szklane, między którymi znajduje się cienka (ok. 10 /.im) warstwa ciekłego kryształu. Od środka są naniesione elektrody z przezroczystego materiału. W tak cienkiej warstwie dipole są uporządkow ane samoistnie i padające światło przechodzi przez wskaźnik. Pod wpływem przyłożonego pola elektrostatycznego narusza się uporząd kowanie wewnętrzne dipoli, powodując wewnętrzne rozpraszanie padającego strum ienia światła; wskaźnik ciekłokrystaliczny przestaje być przezroczysty.
b)
a)
~ \
2— A z /A1 ć żń
10pm
% "
4"/
*
Rys. 11.16. Zasada działania wskaźnika ciekłokrystalicznego z rozpraszaniem dynamicznym: «) światło przechodzi; b) światło ulega rozproszeniu [14] 1 — piytki szklane, 2 — światło o polaryzacji kołowej, 3 — rozproszenie światła, 4 — świat ło po przejściu przez ciekły kryształ, 5 — izo lacyjny materiał uszczelniający, 6 — elektrody, 7 — ciekły kryształ
Uzyskany stopień rozproszenia (kontrast) zależy od: o tem peratury, o częstotliwości przebiegu sterującego, o amplitudy napięcia sterującego, o rodzaju użytego ciekłego kryształu, o oświetlania i kierunku obserwatji. Polaryzacja komórki LCD napięciem stałym szybko niszczy właściwości sam ouporządkow ania cząsteczek ciekłego kryształu, z tego też powodu wskaź niki LCD steruje się napięciem zmiennym bez składowej stałej. Aby na wskaźnikach przedstawiać cyfry i liczby, wytwarza się głównie ukła dy 7- lub 16-segmentowych wyświetlaczy. Do wyświetlania liter jest najod powiedniejsza matryca 35-punktowa. N a rysunku 11.17 pokazano przykłado we matryce. W powyższy sposób uzyskuje się obraz czarno-biały. Za pom ocą ciekłych kryształów można również uzyskać obraz kolorowy. Opracowano mieszaniny ciekłych kryształów z barwnikami o wyraźnych właściwościach dichronicznych, to znaczy takich, które w zależności od orientacji przestrzen nej cząsteczek absorbują światło o różnych długościach fal, czyli dają efekt barwny. Światło przechodzące przez wyświetlacz jest w kolorze barwnika dodanego do ciekłych kryształów. Obecnie produkuje się już odpowiednie barwniki; żółte, czerwone, niebieskie, zielone i pomarańczowe, a mieszanie ich umożliwia uzyskanie barw pośrednich, do głębokiej czerni włącznie. Zastosowanie wskaźników ciekłokrystalicznych jest powszechniejsze niż 142
□
■
■
■ □
□
□
□
□
■
□ □
□
□
□
□ □
□
□ □
□□□ □□ □□ □ □ ■ □□ □ □ □ Rys. 11.17. Matryce
łające
wskaźników cyfrowych półprzewodnikowych. Z wielopunktowych wskaźni ków dichromatycznych są obecnie budowane wskaźniki LCD o matrycy zbudowanej z tak wielkiej liczby punktów, że stosuje się je jako wskaźniki telewizyjne zastępujące kineskop telewizora.
11.4.2. W skaźniki LCD z zrozproszeniem dynam icznym Zasadę działania wskaźników w rozproszeniem dynamicznym przedstawiono na rys. II. 16. Do jego budowy używa się ciekłych kryształów o strukturze smek tycznej. Przy braku zewnętrznego pola elektrycznego, padające światło przechodzi w całości przez warstwę ciekłego kryształu i po odbiciu od warstwy odbla skowej powraca niestłumione do obserwatora. Przyłożenie zewnętrznego pola elektrostatycznego o amplitudzie 10 -r- 50 V powoduje nieregularne przemie szczenie się dipoli ciekłego kryształu, co sprawia, że padające światło ulega silnemu rozproszeniu między elektrodami. Uzyskany konstrast wynosi wów czas 20:1. Główną wadę wskaźników LCD z rozproszeniem dynamicznym stanowi dość duży pobór mocy, wynoszący ok. 100 /¿W/cm2.
11.4.3. W skaźniki LCD z efektem polow ym Wskaźnik LCD z efektem polowym charakteryzuje się małym poborem mocy (ok. 1 /¿W/cm2). M inim alna am plituda napięcia sterującego wynosi 3 V, tak że wskaźnik można zasilać bezpośrednio ze struktury CMOS. Do budowy tego wskaźnika stosuje się ciekły kryształ o strukturze choleste rolowej. Zasadę działania wskaźnika przedstawiono na rys. 11.18. W skaźnik na gór nej i dolnej płytce ma dodatkow o dwa polaryzatory o prostopadle usytuowa nych osiach polaryzacji. Przy braku sygnału sterującego (rys. 11.18«), wiązka światła jest polaryzowana na górnym polaryzatorze, a potem skręcana o 90° w ciekłym krysztale. Wiązka ta przechodzi następnie przez dolny polaryzator 143
Rys. 11.18. Zasada działania wskaźnika ciekłokrystalicznego z efektem polowym: a) światło przechodzi; b) światło ulega rozproszeniu [14] a, l> — skręcone o 90 płaszczyzny ciekłego kryształu, / — światło o polaryzacji kołowej, 2 , 7 — płytki polaryzujące, 3 ,6 — płytki szklane, 4 ,5 — elektrody,
i po odbiciu od folii odblaskowej wraca tą samą drogą do obserwatora. W skaźnik jest więc przezroczysty. Doprowadzenie napięcia zmiennego o amplitudzie 3 -h 10 V i częstotliwości 25 4- 1000 Hz (rys. 11.186) powoduje równoległe ustawienie dipoli ciekłego kryształu, dzięki czemu uzys kuje się rozproszenie w dolnym polaryzatorze. W wyniku tego rozproszenia kontrast wynosi ok. 4 0 : ł. Pytania kontrolne: Q. Na jakich zjawiskach jest oparte działanie elem entów optoelektronicznych?
2. Porównaj zasadę działania diody elektrolum inescencyjnej i złącza PN spolary zowanego w kierunku przewodzenia. 3. Od czego zależy długość fali em itowanej przez d iody LED? 4. Jaki kolor prom ieniowania emituje dioda (w ykonana z GaAs). której szero kość pasma zabronionego w ynosi 1,4 eV?
5*. Z jakiego materiału jest wykonana dioda LED, emitująca promieniowanie o długości faii równej 550 nm? 6. Porównaj parametry elektryczne i optyczne diod LED i fotodiody. 7. Co to jest szerokość połówkowa? 8. Co to jest częstotliwość graniczna? 9. Wymień zastosowania diod LED. 10. Przy użyciu katalogu: a) sprawdź, jakie znaczenie mają diody LED; b) porównaj parametry dwóch diod świecących, np. na czerwono; c) znajdź największą i najmniejszą częstotliwość graniczną diod IR. n i . Na czym polega różnica między fotodiodą i fotokatodą? ■p'. Podaj różnice i podobieństwa między fotodiodą a fotoogniwem. 13. Omów zasadę działania fototranzystora. 14. Porównaj parametry optyczne fotodetektorów. 15. Jakie zalety ma tranzystor z wyprowadzoną końcówką bazy? 16. Porównaj wskaźniki cyfrowe i ciekłokrystaliczne. 17. Jakie parametry wskaźników cyfrowych półprzewodnikowych są zdetermino wane parametrami diod LED? 18. Co to są ciekłe kryształy? Jakie znasz zjawiska związane z rozpraszaniem światła we wskaźnikach ciekłoeiektrycznych? 19. Gdzie wykorzystuje się wskaźniki cyfrowe? 20. Jakie są różnice między wskaźnikami ciekłokrystalicznymi z efektem połowym a wskaźnikami z rozproszeniem dynamicznym?
Pawlaczyk A.: Elementy i układy optoelektroniczne.
10
— P o d s ta w y e le k tro n ik i I
P R Z Y P O M N IJ S O B IE : M a te m a ty k a : o Przebieg okresowy, o Przebiegi niesinusoidalne.
E lek tro te c h n ika : o Filtry częstotliwościowe, o Związek między pulsacją i częstotliwością.
12. P aram etry i funkcje układ ó w elektronicznych 12.1. W stęp Elektronika zajmuje się głównie przetwarzaniem, przesyłaniem i odtwarza niem informacji zakodowanych pod postacią przebiegów elektrycznych, na zywanych sygnałami elektrycznymi. Dzielimy je na analogowe i cyfrowe. Sygnały analogow e, np. prądu lub napięcia, mogą przyjmować dowolne poziomy. Sygnały cyfrow e mogą natom iast przyjmować tylko pewne ustalo ne poziomy. Opisujemy te sygnały za pomocą funkcji matematycznych lub wykresów graficznych (np. rys. 12.1). Bezpośrednia analiza (w funkcji czasu)
a) uit)
Un
bj
uit),
u0 •o-
c)
Ui t )
i
% Z -
146
Rys. 12.1. Rozkład przebiegu okreso wego (a) na składową stalą (b) i zmien ną (c)
przenoszenia tych sygnałów przez układy elektroniczne jest bardzo utrud niona. W celu jej uproszczenia często wykorzystujemy twierdzenie Fouriera. Dany przebieg okresowy traktujemy wówczas jako odpowiadającą mu sumę składowych harmonicznych (przebiegów sinusoidalnych) i składowej stałej. j{ t + T) = F0 + Fj s in ^ j t + if/i) + F2smQxoxt + \j/2) + ••• + / r„sin(«oj11+ 1{/„), przy czym: F0 — składowa stała, Fu F2,
F„ — amplitudy składowych harmonicznych,
oj, = 2 n / T — pulsacja pierwszej harmonicznej, T — okres przebiegu, t/f,, i//2, ..., i//„ — fazy początkowe harmonicznych.
Z rozkładem sygnału na szereg Fouriera wiążą się pojęcia: składowa stała i składowa zmienna, szczególnie użyteczne podczas analizy pracy układów elektronicznych. Składowa zmienna jest to suma wszystkich przebiegów har monicznych. Na rysunku 12.1« przedstawiono przykładowy przebieg napię cia w funkcji czasu, na rys. 12.16 — składową stałą tego przebiegu, a na rys. 12.Ir — jego składową zmienną. Sygnał można również przedstawić w postaci widma częstotliw ościow ego, tj. wykresu graficznego wartości amplitud harmonicznych w funkcji częstot liwości. Składową harm oniczną o danej amplitudzie i częstotliwości kreślimy w kształcie prążka o długości równej wartości amplitudy, i umieszczamy go na osi poziomej (/) w miejscu odpowiadającym wartości częstotliwości. Składową stałą zaznaczamy jako harm oniczną o częstotliwości 0 Hz. W ten sposób powstaje w idm o dyskretne (rys. 12.2) nazywane widmem prąż kowym. Odległość między sąsiednimi harmonicznymi (prążkami) wynosi coj = 2 n /T = 2 n /\. Zazwyczaj w układach elektronicznych mamy do czynienia z sygnałami nieokresowymi. Przy rysowaniu widma takiego sygnału przyjmujemy, że jest to sygnał okresowy o okresie T = oo (nieskończoność). Odległości między poszczególnymi harmonicznymi bedą zatem równe zeru; otrzymamy widmo ciągłe. Znając widmo sygnału oraz możliwości jego obróbki i przetwarzania, można w miarę przystępny sposób wytłumaczyć działanie większości urządzeń elektronicznych. W dalszej części tego rozdziału będą przedstawione układy elektroniczne w postaci „czarnych skrzynek”. Nie wnikając w to, co się w nich znajduje, wyjaśnimy jedynie sposób przetwarzania sygnału wejściowego oraz podamy: — funkcję przenoszenia; — sygnał wejściowy (przebieg w funkcji czasu i jego widmo częstotliwo ściowe); — sygnał wyjściowy (przebieg w funkcji czasu i jego widmo częstotliwo ściowe); — symbol stosowany w schematach funkcjonalnych. u*
147
b) Ui
a)
0
1 2
0
1 2
3
4
co/oj-.
5
^ T n\-w-T T _: JT— \*___I__ 3
4
5
6
7
Ol/CJi
y>k TC
cj/Wf
u ( łL
u ftl^ jIs in O it+ ls in o Ą t])
h
a
V
a
T v -r
. 0
1 2
3
4
5
Ui/cJf
6
y>i. ST
o
co/to,
- tt/2
U
T-M
ul
0
_V__ I__ i/ .1_^
1 2
3
4
5
6
7
U>/0);
SI 2 0
1_ _1 __I__L
U>/Cdi
Ui r= 2JT
U (t )i
a
a
a
a
a
a 0
1
2
n 3
4
5
6
7.
G j/c j,
iP i. H 2 0
T I T T 1 T T T T 1 T
Rys. 12.2. Charakterystyki czasowe (a) i odpowiadające im widma sygnałów (/;)
148
Cii/ej-,
12.2. W zm acniacze W zm acniacz je st to urządzenie elektroniczne, którego zadaniem je st p ro porcjonalne zwiększenie am plitudy wszystkich składow ych w idm a sygnału wejściowego, bez zm iany ich w zajem nych proporcji. Podstawowym parame trem wzmacniacza jest wzmocnienie. Określa się je jako stosunek sygnału wyjściowego do wejściowego. W zależności od tego, jaka wielkość jest sygnałem wejściowym, a jaka sygnałem wyjściowym wyróżniamy: o wzmocnienie napięciowe
o wzmocnienie prądowe
o wzmocnienie prądowo-napięciowe
o wzmocnienie napięciowo-prądowe Zwykle pisząc lub mówiąc „wzmacniacz” mamy na myśli wzmacniacz, którego sygnałem wejściowym i wyjściowym jest napięcie. W innym przypadku wyraź nie to zaznaczamy, pisząc np. wzmacniacz prądowy. Na rysunku 12.3c przedsta wiono widmo sygnału wyjściowego przy założeniu, że sygnał wejściowy jest dany w postaci widma napięcia (rys. 12.3«) oraz, że wzmocnienie napięciowe wzmacniacza (rys. 12.36) wynosi k. Ponieważ układ ten nie zmienia wzajemnych proporcji składowych harmonicznych, a więc i nie zmienia kształtu sygnału, zwiększa jedynie jego amplitudę. Na rysunku 12.4« przedstawiono przykładowy przebieg sygnału podanego na wejście wzmacniacza o wzmocnieniu równym k, a na rys. 12.46 przebieg sygnału otrzymany na wyjściu wzmacniacza. Sygnały te również różnią się jedynie amplitudą. Tak definiowany wzmacniacz jest strukturą idealną — wzmacniaczem idealnym. W zm acniacz rzeczywisty jest złożeniem w zm acniacza idealnego i filtru pasm ow oprzepustow ego. Jeżeli napięcie wejściowe o widmie przedstawionym na rys. 12.5« podamy na wzmac niacz o charakterystyce wzmocnienia jak na rys. 12.56, otrzymamy napięcie wyjściowe o widmie przedstawionym na rys. 12.5c\ Wzmacniacz rzeczywisty oprócz wzmocnienia charakteryzują także częstotli wości graniczne (dolna f d i górna / ’,) zdefiniowane analogicznie jak dla filtrów. Jeżeli całe widmo sygnału wejściowego mieści się miedzy dolną a górną często tliwością graniczną wzmacniacza — to możemy traktować wzmacniacz jako układ idealny. Jeżeli natomiast układ nie spełnia tego warunku (deformuje widmo i kształt sygnału), to wzmacniacz traktujemy jako układ rzeczywisty. W zależności od wartości częstotliwości granicznych rozróżniamy: o wzm acniacze m.cz. (małych częstotliwości) — dla których częstotliwość f , 149
Uyuei
O)
AJ. a3
Ul
c)
Uwe
k-A, k-A3 k-A2
u1 o2 CJ3
f
Rys. 12.3 Wzmacniacz: a) widmo sygna łu wejściowego; b) symbol wzmacniacza; c) widmo sygnału wyjściowego
Rys. 12.4. Wzmacniacz: a) sygnał wejś ciowy; b ) sygnał wyjściowy
Clj Uwgitlii
b)
C)
U„y(t)
f
150
Rys. 12.5. Wzmacniacz rzeczy wisty: a) widmo sygnału wej ściowego; h) charakterystyka przenoszenia wzmacniacza; c) widmo sygnału wyjściowego kuo — wartość maksymalna wzmocnienia
jest mniejsza niż 100 Hz, a częstotliwość f g zawiera się w granicach od kilku do dwudziestukilku kHz (rys. 12.6«); o wzmacniacze stałoprądow e — szczególny przypadek wzmacniacza rzeczy wistego, którego pasmo wzmacnianych częstotliwości nie jest ograniczone od dołu (rys. 12.66); o wzmacniacze w.cz (wielkich częstotliwości) — stosowane do wzmacniania sygnałów wielkich częstotliwości (częstotliwość ich może zawierać się w szerokich granicach, tj. od setek kHz do setek M Hz — rys. 12.6c-); o wzmacniacze szerokopasm owe — wzmacniacze o szczególnie szerokim paśmie przenoszenia sygnału; f d i f g różnią się przynajmniej o 3 rzędy wartości (rys. 12.6d); o wzmacniacze selektywne (wąskopasmowe) — wzmacniają sygnał w wą skim przedziale, w otoczeniu częstotliwości fo = y /f if g (fd i fg różnią się niewiele od siebie — rys. \2.6e). W omawianej grupie układów elektronicznych należy zwrócić uwagę na wzmacniacz różnicowy. Układ ten ma dwa wejścia: odwracające — ozna-
Rys. 12.6. Przykładowe charakte rystyki: a) wzmacniacza m.cz.; /;) wzmacniacza stalopnjdowego; c) wzmacniacza w. cz; d) wzmac niacza szerokopasmowego; e) wzmacniacza selektywnego
151
czone znakiem i nieodwracające — oznaczone znakiem wyjściowe tego wzmacniacza wyraża się wzorem
Napięcie
Szczególnym rozwiązaniem wzmacniacza różnicowego jest wzmacniacz opera' cyjny, charakteryzujący się: 1) nieskończenie dużym wzmocnieniem, 2) nieskończenie szerokim pasmem przenoszenia, 3) rezystancją wejściową równą nieskończoności, 4) rezystancją wyjściową równą zeru.
Rys. 12.7. Symbole wzmacniacza: a) różnicowego; b) operacyjnego
Z przytoczonych parametrów wynika, że jest on wzmacniaczem idealnym. Na rysunku 12.7« przedstaw iono symbol w zm acniacza różnicow ego, a na rys. 12.76 — wzmacniacza operacyjnego.
12.3. G eneratory G e n e rato ry są to układy elektroniczne, k tó re przetw arzają energię źró d ła przebiegu stałego na energię przebiegu zm iennego wyjściow ego (im pulsow ego lub okresow ego). W zależności od kształtu wytwarzanego prze biegu, wyróżniamy następujące generatory: im pulsowe, sinusoidalne, prze biegu prostokątnego i liniowego (trójkątnego, piłokształtnego). W tabli cy I2.l przedstawiono typowe symbole generatorów oraz kształty sygnałów wyjściowych i odpowiadające im widma częstotliwościowe. Szczególnymi rodzajami generatorów są: generatory wyzwalane, synchronizo wane i generatory sterowane (prądem lub napięciem). Generatory wyzwala ne są to takie generatory, w których pojawienie się na wyjściu impulsu zadanego kształtu lub ciągu impulsów jest uwarunkowane wcześniejszą obec nością na wejściu impulsu wyzwalającego. N atom iast generatory synchronizowane wytwarzają przebieg o zadanym kształcie bez względu na to, czy na jego wejściu są obecne impulsy pobudza jące czy też nie. Impulsy te służą jedynie do ustawienia fazy (i ewentualnie do niewielkiej korekty częstotliwości) generowanego sygnału. 152
T a b l i c a 12.1 Podstawowe rodzaje generatorów
Generatory sterowane są to takie generatory, których częstotliwość (lub wypełnienie przebiegu) jest uzależniona od wartości napięcia lub prądu syg nału wejściowego. Z tej grupy są najczęściej stosowane generatory sterowane napięciem — VCO (ang. Voltage Controleci Oscillator).
12.4. Układy przemiany częstotliw ości P rzem iana częstotliw ości (zw ana inaczej m ieszaniem częstotliw ości) p o lega na przesunięciu w idm a sygnału wejściowego na osi częstotliw ości bez zm iany pozostałych cech sygnału. Pozwala ona na umieszczenie wid ma sygnału w takim zakresie częstotliwości, w którym można przeprowadzić w prostszy sposób inne operacje — na przykład, takie jak wzmocnienie czy filtracja. W skład układu przemiany częstotliwości (rys. 12.8a) wchodzi mieszacz i ge nerator lokalny przebiegu sinusoidalnego (heterodyna). Do mieszacza do chodzi sygnał wejściowy z heterodyny oraz sygnał sinusoidalny (rys. 12.86“) o częstotliwości Sygnał wejściowy (rys. 12.86) o częstotliwości środkowej f s zostaje w mieszaczu przesunięty w funkcji częstotliwości, w wyniku czego uzyskujemy nowy sygnał (rys. 12.8d) o częstotliwości środkowej f v, nazywa nej częstotliw ością pośrednią. Najczęściej jest to sygnał różnicowy o czę stotliwości fp=fh—fs (rys. 12.8i?), znacznie rzadziej o częstotliwości f p= f,+ fs (rys. 12.8 d). 153
o)
fs \u„e I
L
Mieszacz
< Generator lokalny (heterodyna)
b)
fp
o A
I
Jny
Rys. 12.8. Układ przemiany częstotliwości a) schemat blokowy; b) przy kładowe widmo sygnału wej ściowego; c) widmo sygnału heterodyny (generatora lokal nego); d) widmo sygnału wyjściowego przy przemianie sumacyjnej; e) widmo sygnału wyjściowego przy przemianie różnicowej
12.5. M od u lato ry Przesyłanie sygnału w jego naturalnym paśmie za pomocą fal radiowych jest prawie we wszystkich przypadkach niemożliwe. Istnieją natom iast takie za kresy fal elektromagnetycznych, których propagacja (przesyłanie) nie na stręcza żadnych kłopotów natury technicznej. Wykorzystuje się to, kodując informację o sygnale w tym zakresie fal. Proces ten nazywamy modulacją. Po przesłaniu rozkodowuje się sygnał, przywracając mu jego naturalne widmo. Ten proces z kolei — nazywamy demodulacją. Istnieje wiele ro dzajów modulacji i odpowiadających im demodulacji. Jeżeli np. za pomocą sygnału, który chcemy przesłać (sygnału użytecznego) zmieniamy amplitudę sygnału sinusoidalnego (sygnału nośnego), to taką modulację nazywamy modulacją amplitudy (ang. Amplitude Modulation — A M ). Jeżeli za pom o cą sygnału użytecznego zmieniamy (modulujemy) częstotliwość sygnału noś nego, to taką modulację nazywamy modulacją częstotliw ości (ang. Fre quency Modulation — F M ). Jeżeli za pomocą sygnału użytecznego zmienia154
my (modulujemy) fazę sygnału nośnego, to taką modulację nazywamy m o dulacją fazy (ang. Phase Modulation — PM ). Częstotliwość sygnału noś nego jest zwykle co najmniej 5 razy większa od najwyższej harmonicznej sygnału użytecznego. Układ elektroniczny realizujący modulację nazywamy m odulatorem .
12.5.1. M o d u lato r A M Na rysunku 12.9« przedstawiono symbol m odulatora AM. Do m odulatora dochodzi sygnał nośny i sygnał użyteczny. Sygnał nośny modulacji AM (przedstawiony przykładowo na rys. 12.96) jest przebiegiem sinusoidalnym
a)
Modulator
AM
tve|
1
fn
Un
b)
d)
e)
Rys. 12.9. M odulator AM: a) symbol; /;) sygnał nośny; c) widmo sygnału nośnego; d) sygnał użyteczny; e) sygnał wyjściowy m odulatora; f ) wid mo sygnału wyjściowego
Jny mUn
m-Un fn
f
55
w.cz. Jego amplituda jest stała i nie zmienia się w funkcji czasu. Na rysunku 12.9c przedstawiono jego widmo. Jeżeli przykładowo sygnał użyteczny jest sygnałem sinusoidalnym małej częstotliwości (jak na rys. 12.9c/), to sygnał wyjściowy z modulatora będzie miał przebieg taki jak na rys. \2.9e. Jak widać amplituda sygnału zmodulowanego odwzorowuje dokładnie kształt sygnału modulującego. W zapisie matematycznym przedstawiamy: o sygnał użyteczny jako uwe(t) = Ums\ncoj, przy czym: uwc(t) — wartość napięcia sygnału użytecznego w chwili t, Um — amplituda sygnału użytecznego, (Om — pułsacja sygnału użytecznego;
o sygnał nośny jako un(t) = Unsmcoj, przy czym: «„(/) — wartość napięcia sygnału nośnego w chwili i, Un — amplituda sygnału nośnego, con — pułsacja sygnału nośnego;
o sygnał wyjściowy jako uny(t)= U n( 1 + msinft)„,/)siniu,/, przy czym: hmv(/) — wartość napięcia sygnału w yjściow ego w chwili /, m = ~ ~
-- w spół
czynnik głębokości m odulacji.
Jeżeli sygnałem wejściowym jest bardziej złożony sygnał, to opis matematycz ny staje się bardziej skomplikowany. O wiele prostsze będzie wówczas grafi-
c)
Rys. 12.10. M odula to r A M : a) w idm o sygnału użytecznego; b) w id m o sy g n a łu n o śn eg o ; c) w idm o sygnału wyjściowego
156
czne przedstawienie obróbki widma sygnału wejściowego w modulatorze AM. N a rysunku 12.10« przedstawiono widmo przykładowego sygnału uży tecznego, na rys. 12.106 — widmo sygnału nośnego, a na rys. 12.1 Oc — widmo sygnału wyjściowego z m odulatora AM . Sygnał ten składa się z dwóch wstęg bocznych: dolnej (o paśmie częstotliwości od f„ —f g do /„ —f d) i górnej (o paśmie częstotliwości od f n+ fa do f t+ fd) oraz fali nośnej. Jak widać modulacja AM nie zmienia kształtu widma.
12.5.1. M o d u lato ry FM i PM M o d u lacja F M polega na uzależnieniu częstotliw ości sygnału nośnego od am p litu d y sygnału użytecznego. Sygnał zmodulowany częstotliwościowo ma stałą amplitudę. Jeżeli sygnał użyteczny jest sygnałem sinusoidalnym, to wartość chwilowa częstotliwości ./(/) = Fo + AFsinco,,,/ , przy czym: F0 — częstotliwość nośna. (»,„ — pułsacja sygnału użytecznego, AF — dewiacja częstotliwości.
D ew iacja częstotliw ości jest to maksymalna zmiana częstotliwości m odulo wanego sygnału FM. Jest ona proporcjonalna do amplitudy sygnału m odu lującego. AF = k U m , przy czym: k — współczynnik, U„, — amplituda sygnału modulującego (użytecznego).
Widmo sygnału o zmodulowanej częstotliwości składa się ze znacznie więk szej liczby składowych niż widmo sygnału o zmodulowanej am plitu dzie. Na rysunku 12.11« przedstawiono symbol m odulatora FM , a na rys. 12.116 — widmo sygnału zmodulowanego częstotliwościowo sygnałem sinusoidalnym. Szerokość pasma zajmowanego przez sygnał zmodulowany częstotliwościowo, w praktyce ogranicza się do wartości 2 A F = 2 /, + 2AFo , przy czym: f , — górna częstotliwość graniczna sygnału użytecznego, AF{) — dewiacja fali nośnej.
M o dulacja częstotliw ości jest nierozerw alnie zw iązana z m odulacją fa zy — P M . Zm iana częstotliwości powoduje pośrednio zmianę fazy sygnału. Stąd właściwości obu tych modulacji są bardzo zbliżone. Przy m odulacji fazy, faza fali nośnej t//(r) zm ienia się p ro p o rc jo n aln ie do w artości chwi lowej napięcia sygnału użytecznego. Sygnał zm odulow any fazow o możemy zapisać w postaci hpm{0
= Uns\n[2nF0t +«//(/)] ,
przy czym: »/>«(/) — wartość chwilowa napięcia zmodulowanego fazowo, Un — amplituda sygnału nośnego. F0 — częstotliwość sygnału nośnego.
157
Rys. 12.11. M odulator FM: o) symbol; b) widmo sygnału sinusoidalnego zmodulowanego sygnałem sinusoidalnym
W artość chwilowa fazy \p(t) = k \u we(t), przy czym: k l — współczynnik, uwc{i) — napięcie sygnału użytecznego.
M aksym alną zmianę fazy nazywamy dew iacją fazy i oznaczamy At//. Widmo sygnału zmodulowanego fazowo jest bardzo podobne do widma sygnału zmodulowanego częstotliwościowo. Z tych dwu modulacji powszechnie jest stosowana tylko m odulacja FM.
12.6. Dem odulatory D em odulacja jest procesem o d w rotnym do m odulacji. Zadaniem demo dulatora jest przetworzenie sygnału podanego na wejście, aby w jego wyniku odzyskać sygnał użyteczny (zakodowany za pom ocą modulacji) w zmodulo wanym sygnale wejściowym. W zależności od przyjętego rodzaju modulacji, należy zastosować właściwy typ dem odulatora. Każdy rodzaj modulacji ma tylko jeden właściwy sobie rodzaj demodulacji, pozwalający odzyskać niezniekształcony sygnał użyteczny. Sygnałem wejściowym dla dem odulatora AM powinien być sygnał zm o d u low any am plitu d o w o , czyli sygnał określony zależnością wwc(/) = /i(0sinco„/ , w której: A(t) — wartość chwilowa — pulsacja sygnału nośnego.
158
amplitudy
sygnału
zmodulowanego
amplitudowo,
Z adaniem d e m o d u la to ra A M jest w ytw orzenie sygnału wyjściowego, któ ry będzie p ro p o rcjo n aln y do w artości chwilowej am p litu d y sygna łu zm odulow anego (tzn. w wierny sposób odw zorow ującego kształt o b wiedni sygnału zm odulow anego am plitudow o). Na rysunku 12.126 przed stawiono charakterystykę napięcia wyjściowego w funkcji am plitudy chwilo wej przebiegu wejściowego dem odulatora AM z rys. 12.12«. Przykładowy przebieg napięcia wejściowego podano na rys. 12.12c’, a kształt przebiegu napięcia wyjściowego — na rys. \2.\2d. Sygnałem wejściowym dla dem odulatora FM powinien być sygnał z m o d u lo w any częstotliw ościow o, czyli sygnał określony zależnością uwc{t) = Utts\n[2nF{f)t\ , w której /•’(/) jest wartością chwilową częstotliwości.
'wy Rys. 12.12. D em odulator AM: a) sym bol; b) charakterystyka; c) przykładowy sygnał wejściowy; cl) odpowiadający mu sygnał wyjściowy
159
Z adaniem d e m o d u la to ra F M jest w ytw orzenie sygnału wyjściowego, k tó ry będzie p ro p o rc jo n aln y do chwilow ej w artości częstotliw ości syg nału zm odulow anego częstotliw ościow o. Na rysunku 12.13/; przedsta wiono charakterystykę napięcia wyjściowego w funkcji częstotliwości chwilo wej przebiegu wejściowego dem odulatora FM z rys. 12.13«. Przykładowy przebieg napięcia wejściowego podano na rys. 12.13c, a kształt przebiegu napięcia wyjściowego — na rys. 12.13*/.
a) U
Demodulator FM
JL
i
12.7. Zasada odbioru radiowego W tym rozdziale zajmiemy się nie tylko samym odbiorem, ale ogólnym prze syłaniem sygnału za pomocą fal radiowych. Proces transm isji sygnału akustycznego możemy podzielić na nadawanie i odbiór. Na rysunku 12.14« przedstawiono schemat funkcjonalny zespołu nadajnika i odbiornika radiowego, w którym jest realizowana prosta metoda przekazy wa 160
nia dźwięku. Linią przerywaną oddzielono część nadawczą (Nadajnik) od części odbiorczej (Odbiornik). Sygnał akustyczny, w postaci drgających cząsteczek powietrza, przed prze słaniem musi być zamieniony na sygnał elektryczny. Do tego służy m ikro fon. N a rysunku 12.146 przedstawiono przykładowe widmo sygnału akus tycznego, a na rys. 12.14c — odpowiadające mu widmo sygnału elektrycz nego uzyskane na wyjściu mikrofonu. M ożna zauważyć, że widma te mają taki sam kształt; poszczególne harmoniczne występują w takich samych proporcjach. Ponieważ sygnał akustyczny i odpowiadający mu sygnał elekt ryczny z m ikrofonu zawierają składowe harmoniczne w (paśmie) zakresie częstotliwości od kilkunastu Hz do kilkunastu kHz, a tego zakresu częstot liwości nie transmituje się za pom ocą fal radiowych, należy zatem przesunąć widmo tego sygnału w zakres wyższych częstotliwości. Do tego służy m odu lator. W zależności od zakresu częstotliwości, w którym jest przesyłane widmo tego sygnału, wykorzystuje się modulację amplitudową (AM) lub częstotliwościową (FM ). Sygnał z m ikrofonu jest przekazywany do m odula tora. W zależności od tego, jaki m odulator (AM czy FM ) zastosujemy w nadajniku, takie widmo uzyskamy na jego wyjściu. Załóżmy, że jest to m odulator AM. Wówczas widmo jego sygnału wyjściowego będzie takie jak na rys. 12.14d. Sygnał z m odulatora podajemy następnie na wzmacniacz, który nie zmienia kształtu jego widma. N adawanie kończy się wyemitowa niem fali radiowej (elektromagnetycznej) przez antenę nadajnika. Faza odbioru rozpoczyna się w antenie odbiornika radiowego. W ewnątrz niej indukują się sygnały odpowiadające wszystkim docierającym do niej falom elektromagnetycznym. Na rysunku \2.\4e przedstawiono przykładowe widmo sygnału, jaki uzyskalibyśmy na wyjściu anteny odbiorczej (przy za stosowaniu m odulatora AM). Różnice widma z rys. 12.14d wynikają z tego, że do anteny odbiorczej docierają także fale pochodzące z innych źródeł (np.: od innych nadajników, zakłócenia). Sygnał z anteny przesyłamy do strojonego filtru pasm ow oprzepustow ego, w celu wydzielenia ze złożonego widma wszystkich sygnałów zaindukowanych w antenie, widma sygnału z naszego nadajnika (rys. 12.14f). Zwróćmy uwagę, że jest ono identyczne z widmem sygnału wyjściowego z m odulatora. Wydzielony sygnał, po wzm ocnieniu, jest podawany do dem odulatora, który odtwarza sygnał m.cz. w jego oryginalnym paśmie (rys. 12.14c). W zmocniony we wzmac niaczu m.cz. sygnał steruje głośnik, który przetwarza przebieg elektryczny na sygnał akustyczny. W ten sposób uzyskaliśmy transmisję sygnału akustycz nego za pom ocą fal radiowych. Gdy do transmisji sygnału użyjemy m odulatora (i dem odulatora) FM , wów czas kształt widma sygnału na wyjściu m odulatora będzie wyglądał tak, jak na rys. \2.\4g. Identyczny będzie kształt sygnału na wejściu anteny nadaw czej i sygnału emitowanego przez tę antenę. Zwróćmy uwagę, że przy m odu lacji FM widmo sygnału z m odulatora zajmuje dużo szersze pasmo i jest 11 — P odstaw y elek tro n ik i I
161
a)
i-i’ Modu Ąj P*1 lator
F.P.P/
Demo dulator
m.cz.
Generator nośnej
Częśćnadawcza-Nadajnik
9) U2>FM
162
Część odbiorcza—Odbiornik
h) U3m i
i) U,FM
Rys. 12.14. Przesyłanie sygnału akustycznego drogą radiową: a) schem at funkcjonalny układu transm isji; b) w idm o w ejs'ciowego sygnału akustycznego lub w idm o sygnału akustycznego na wyjściu głośnika; c) widmo sygnału na w yjściu m ikrofonu lub na w yjściu dem odulatora; d) widmo sygnału na wyjściu m odulatora AM; e) widmo sygnału zaindukow anego w antenie odbiorczej dla sygnału AM; f) widmo sygnału na wyjściu filtru pasm ow oprzepustow ego (na wejściu dem odulatora AM; g ) widmo sygnału na wyjściu m odulatora FM ; h) widmo sygnału zaindukow anego w antenie odbiorczej dla sygnału FM; i) widm o sygnału na w yjściu filtru pasm owoprzepustowego (na wejściu demodulatora FM)
położone (zazwyczaj) w zakresie większych częstotliwości. Tylko dla porów nania obu tych modulacji zakładamy taką samą częstotliwość nośną. N a rysunku 12.146 przedstawiono widmo sygnału zaindukowanego w antenie odbiorczej. D o wydzielenia sygnału jest potrzebny filtr pasmowoprzepustowy 0 szerszym paśmie, ale spełniający tę samą funkcję. W idmo sygnału wejś ciowego dem odulatora FM przedstawia rys. 12.14/. N a wyjściu dem odulato ra FM oraz w dalszej części odbiornika uzyskamy takie samo widmo syg nału, jak przy transmisji AM (rys. 12.14c). N a pierwszy rzut oka możemy ocenić, że m odulacja FM nie ma żadnych zalet, a wadą jest zajmowanie dużo szerszego pasm a częstotliwości. Okazuje się jednak, że ten rodzaj modulacji zapewnia lepszą odporność na zakłócenia 1 szumy. M odulację AM stosuje się w takim zakresie częstotliwości, w któ rym najistotniejsze jest jak najwęższe pasmo zajmowane przez przesyłany sygnał (fale: długie, średnie i krótkie), natom iast modulację FM stosujemy w takim zakresie częstotliwości, w którym możemy sobie pozwolić na znacz ne poszerzenie pasma przesyłanego sygnału w celu poprawienia jakości transmisji. Przedstawiony odbiornik radiowy nazywamy odbiornikiem z bezpo średnim odbiorem. Podstawową wadą tego typu odbiornika jest to, że wraz n
163
ze zmianą częstotliwości odbieranego sygnału, do demodulatora dociera sygnał o innej częstotliwości, co staje się przyczyną wielu zakłóceń. W związku z tym podjęto prace, zakończone sukcesem, mające na celu pozbawienie odbiornika radiowego tej wady. Opracowano tzw. odbiornik superheterodynowy, którego schemat funkcjonalny znajduje się na rys. 12.15. Antena i wejściowy filtr pasmowoprzepustowy w odbiorniku superhetero dynowy m odgrywają taką samą rolę jak w odbiorniku z bezpośrednim odbiorem. Różnica jakościowa wynika z zastosowania układu przemiany częstotliwości (mieszacz z generatorem lokalnym — heterodyną), który przesuwa widmo sygnału z otoczenia częstotliwości f s do częstotliwości f p (rys. 12.15/7). Przestrojenie odbiornika — w celu odebrania innego sygnału (o częstotliwości f s2) — polega, tak jak poprzednio, na przestrojeniu obwodów
j pfh
‘
Rys. 12.15. Superheterodynowy odbiornik radiowy: a) schem at funkcjonalny; b) widmo sygnału na wyjściu mieszacza (wejście demodulatora) dla sygnału AM; c) widmo sygnału na wyjściu mieszacza (wejścia demodulatora) dla sygnału FM
164
wejściowych, a poza tym na takiej zmianie częstotliwości heterodyny f , 2, aby był spełniony warunek fh i —f s i = f P* W ynika stąd wniosek, że obwody wejś ciowe powinny być przestrajane współbieżnie z heterodyną (o taką samą wartość), przy czym f s2 należy interpretować jako częstotliwość środkową filtru pasmowoprzepustowego (obwodu wejściowego). Zachowanie tego wa runku pozwala na przesuwanie widma dowolnie wybranego sygnału do częs totliwości pośredniej f p, bez zmiany kształtu jego widma. W ten sposób, pomimo zmiany częstotliwości odbieranego sygnału, uzyskujemy stałą war tość częstotliwości sygnału docierającego do dem odulatora. N a rysunku 12.15c przedstawiono widmo sygnału na wyjściu mieszacza przy transmisji FM , przy założeniu, że na jego wejściu jest sygnał o widmie jak na rys. 12.14g. Przebiegi napięć w innych miejscach układu i odpowiadające im widma są takie same jak dla odbiornika z bezpośrednim odbiorem. Wyraźnie należy zaznaczyć, że częstotliwość pośrednia przy transmisji AM (465 kHz) jest inna niż przy transmisji FM (10,7 MHz). Odbiornik syperheterodynowy jest stosowany praktycznie we wszystkich obe cnie produkowanych odbiornikach radiowych.
12.8. Zasada transm isji telew izyjn ej Transmisja obrazu wraz z towarzyszącym mu dźwiękiem jest realizowana przez zespół urządzeń stanowiących tor nadawczy i odbiorczy, przedstawiony w sposób schematyczny na rys. 12.16. Część nadawcza składa się zasad niczo z dwóch oddzielnych układów: nadajnika fonii (dźwięku) i nadajnika
Część'nadawcza fonii (Obwody wejściowe) ^
)\
Modulator FM
Mie-
szacz
Demodu lator AM
Układ syntezy foni i obrazu
Generator nośnej fonii Układ analizy
obrazu
Modulator AM fnw Generator nośnej wizji
Część nadawcza wizji
Część odbiorcza
Rys. 12.16. Układ transmisji obrazu i dźwięku
165
wizji (obrazu). Nadajnik fonii jest taki sam jak nadajnik sygnału radiowego z rys. 12.14«. Nadajnik wizji składa się z: o przetwornika obrazu na tzw. całkowity sygnał wizyjny, o modulatora, • wzmacniacza w.cz., • anteny nadawczej sygnału wizyjnego. Częstotliwości nośne: sygnału wizji — f nw i sygnału fonii — f lf w danym standardzie telewizyjnym różnią się o stalą wartość inf fnw fr » przy c z y m /r jest tzw. częstotliwością różnicową.
Część odbiorcza składa się z: o filtru pasmowoprzepustowego, o anteny, o obwodów wejściowych, • układu przemiany częstotliwości, o dem odulatora AM. Układy te pełnią takie same funkcje jak w odbiorniku radiowym superheterody nowym. Sygnał po zdemodulowaniu jest podawany na układ syntezy obrazu i dźwię ku, którego budowę i zasadę działania opiszemy w dalszej części książki. U kład ten powoduje odtworzenie obrazu na ekranie kineskopu i dźwięku w głośniku telewizora.
12.8.1. Analiza obrazu i dźw ięku Oglądany przez nas obraz telewizyjny czy kinowy składa się z wielu kolejno następujących po sobie obrazów. Wykorzystuje się tutaj zjawisko bezwładno ści oka ludzkiego. Polega ono na tym, że jeżeli obrazy docierające do naszych oczu będą się pojawiały z częstotliwością większą niż 10 obrazów na sekundę, to powstanie wrażenie ciągłości obrazu. Właściwie dobrane obrazy składowe wywołują złudzenie ruchu wyświetlanych na ekranie elementów. Obrazy te przedstawiają wówczas kolejne fazy ruchu. Dla potrzeb transmisji obrazu drogą radiową, dzieli się go na cienkie linie i nadaje jedną po drugiej w czasie przeznaczonym na przesłanie danego obrazu (25 obrazów na sekundę, po 625 linii w obrazie). Analiza obrazu, realizowana przez kamerę telewizyjną, polega na utworzeniu dla danego elementu obrazu, odpowiadającego mu sygnału elektrycznego analogowego lub cyfrowego (ciąg liczb — próbek). W sygnale takim, dane mu elementowi obrazu musi być w jednoznaczny sposób przypisana inform a cja o jego jaskrawości i ewentualnie kolorze oraz o położeniu na obrazie. Utworzony sygnał może być odtworzony bezpośrednio (zsyntetyzowany) lub zapisany, w celu późniejszego przesłania, przetworzenia lub odtworzenia. 166
Uzyskuje się to w wyniku przebiegania strumienia elektronowego punkt po punkcie analizowanej linii obrazu. Przetwarzanie obrazu, a tym samym jego odtworzenie w odbiorniku, jest tym dokładniejsze, im mniejsze są elementy poddane analizie (tj. węższe linie obrazu). N a rysunku 12.17« przedstawiono przykładowy analizowany obraz, na rys. 12.176 sygnał elektryczny ana logowy odpowiadający linii zaznaczonej z boku rysunku strzałką, a na rys. 12.17c sygnał elektryczny cyfrowy odpowiadający tej samej linii.
Biały Jasnoszary
Ciemnoszary
Elementu czarne
J Pionowe hnte 1 odnośniki
Poziom bieli Poziom , jasnoszary Poziom ciemno sza ry Poziom —* czarny
1 ____ I
Rys. 12.17. Analiza obrazu; a) obraz, na którym zaznaczono strzałką analizow aną linię; b) sygnał analogowy odpowiadający tej linii; c) sygnał cyfrowy
N a pierwszy rzut oka sygnał cyfrowy jest zupełnie niezrozumiały — nie powiązany logicznie z treścią analizowanej linii. W rzeczywistości jest to ciąg bitów jednoznacznie opisujący w sposób cyfrowy jaskrawość (i ewen tualnie kolor) każdego punktu analizowanej linii. W dalszej części rozdziału będziemy się zajmować tylko sygnałami analogowymi, ponieważ przed zsyntetyzowaniem sygnał cyfrowy jest zamieniany na sygnał analogowy. Przesyłanemu sygnałowi, odpowiadającem u na przykład drugiej linii obra zu — musi odpowiadać odtworzony (zsyntetyzowany) w odbiorniku sygnał, dający na ekranie tę samą linię obrazu (warunek synfazowości pracy). W ce lu zapewnienia współbieżności pracy nadajnika i odbiornika, oprócz sygnału 167
luminancji (to jest sygnału o jaskrawości aktualnie analizowanego punktu), przesyła się impulsy synchronizacji poziomej i pionowej. W celu zmniejszenia migotania przesyłanego obrazu, dzieli się go na dwa półobrazy; w pierwszym nadaje się linie nieparzyste, a w drugim — parzyste. W rezultacie w odbiorniku uzyskuje się 50 półobrazów na sekundę, po 312,5 linii (stąd częstotliwość linii — 312,5 x 50 = 15 625 Hz, a częstotliwość pola = 50 Hz — ilość półobrazów na sekundę). Sygnał luminancji (o paśmie od 15 625 Hz do 6 MHz) i sygnał synchronizacji, rozdzielone poziomem napięcia, tworzą całkowity sygnał wizji (CSW). Przed przesłaniem do odbiornika sygnał CSW moduluje amplitudowo sygnał nośny wizji o częstotliwości przydzielonej stacji nadawczej. Jednocześnie z sygnałem wizji w nadajniku jest tworzony sygnał fonii. Drgania akustyczne docierające do mikrofonu są zamieniane na impulsy elektryczne, które po wzm ocnieniu we w zm acniaczu m.cz. m odulują falę nośną fonii. Częstotliwość nośna fonii jest w polskim standardzie o 6,5 M Hz większa niż częstotliwość nośna wizji. Zmodulowane sygnały: fonii (częstotliwościowo) i wizji (amplitudowo) są emitowane przez antenę nadawczą w postaci fal elektromagnetycznych i docierają do anten odbiorczych.
12.8.2. Synteza obrazu i dźwięku Zadaniem odbiorczego układu syntezy obrazu i dźwięku jest takie przetworzenie sygnału wejściowego, aby obserwator otrzymał całą zawartą w nim informację. Sygnał wejściowy jest przebiegiem elektrycznym powstałym przez zsumowanie dwu sygnałów — całkowitego sygnału wizyjnego (CSW) i tzw. sygnału różnico wego fonii, otrzymanego w wyniku przetworzenia w demodulatorze AM sygnału częstotliwości pośredniej fonii. Na rysunku 12.18« przedstawiono widmo sygna łu wejściowego dla tego układu. Zakres pasma do 6 MHz zajmuje sygnał CSW w swoim naturalnym paśmie, a zakres od 6,25 do 6,75 MHz zajmuje sygnał różnicow y fonii. Na rysunku 12.186 przedstaw iono schem at funkcjonalny układu syntezy obrazu i dźwięku, składający się z toru wizji i toru fonii. Na wejściu każdego toru znajdują się filtry oddzielające sygnał CSW dla toru wizji i sygnał różnicowy fonii dla toru fonii. Omówimy oddzielnie oba te tory. Zadaniem toru fonii jest odtworzenie dźwięku towarzyszącego obrazowi. Sygnał częstotliwości różnicowej fonii, po wydzieleniu w filtrze pasmowoprzepustowym (6,5 MHz), jest podawany na wzmacniacz p.cz. fonii, a następnie do demodulatora FM, na wyjściu którego uzyskuje się sygnał o częstotliwości akustycznej. Sygnał ten po wzmocnieniu we wzmacniaczu akustycznym wysterowuje głośnik, który wytwarza drgania dźwiękowe. Zwróćmy uwagę, że schemat funkcjonalny toru fonii jest podobny do układu odbiornik radiowego o bezpośred nim odbiorze sygnału zmodulowanego częstotliwościowo (FM) o częstotliwo ści nośnej 6,5 MHz. 168
b)
\
F.P.P 6,5 MHz
F.DP
6MHz
F.D.P 100 kHz
>
Demodula tor FM
>mci.
Tor wizji
>
Układ wydzielania impulsów synchroni zacji
Tar fonii
Generator synchroni zacji
pry* Cewki odchylania pionowego
V
Generator synchronizacji
Cewki odchylania poziomego
Rys. 12.18. Układ syntezy obrazu i dźwięku: a) widmo sygnału wejs'ciowego; b) schemat funkcjonalny
Syntezę o b raz u przeprowadza się w taki sam sposób jak jego analizę. Obraz odtwarza się, wyświetlając kolejno linię po linii danego półobrazu, co za chodzi w wyniku jednoczesnego m odulowania jaskrawości plamki świetlnej na ekranie kineskopu oraz odchylania jej w poziomie i w pionie. M odulację jaskrawości plamki uzyskuje się w wyniku sterowania wydajnoś cią wyrzutni elektronów, za pomocą odpowiednio wzmocnionego sygnału wizji (w pewnym uproszczeniu). Częstotliwość odchylania poziomego w polskim standardzie wynosi 15 625 Hz, a pionowego 50 Hz. Zadaniem układów odchylania poziomego i piono wego jest uzyskanie liniowego w funkcji czasu odchylania plamki na ekranie, synfazowo z przychodzącymi impulsami synchronizacji. Taki efekt może być spowodowany tylko podobnym odchylaniem strum ienia elektronów, które 169
uzyskamy sterując cewki odchylające przebiegiem prądu zbliżonym do linio wego. Niewielkie korekty kształtu przebiegu prądu, dokonywane w praktycz nych układach, mają na celu zapewnienie liniowego odchylania plamki. Am plituda przebiegu prądowego musi być tak dobrana, aby zapewnić właś ciwe rozmiary syntetyzowanego obrazu. Znajdujący się w torze wizji filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości granicz nej 6 M Hz wydziela z sygnału wejściowego całkowity sygnał wizyjny. Po wzmocnieniu, sygnał ten steruje katodę kineskopu, modulując jaskrawość świecenia plamki. Filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości granicznej około 100 kHz wydziela natom iast z sygnału wejściowego sygnał synchronizacji zawierający pozos tałości sygnału wizyjnego. Impulsy synchronizujące pionowe (V) i poziome (//) sterują układ synchronizujący i odchylający ruch plamki świetlnej na ekranie kineskopu. Pytania kontrolne: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Jakie znasz sposoby zapisu sygnału elektrycznego? Jakie są podstawowe parametry wzmacniaczy? Podaj ich definicje. Przedstaw różnice między wzmacniaczem idealnym a rzeczywistym. Omów zasadę działania modulatora (na dowolnym przykładzie). Na czym polega przemiana częstotliwości? Co to jest demodulator i do czego służy? Jak tworzy się obraz telewizyjny? Omów procesy zachodzące w nadajniku i odbiorniku telewizyjnym. Porównaj budowę i działanie odbiornika radiowego z bezpośrednim odbiorem i odbiornika superheterodynowego.
S ło w n ik angielsko-polski
A aberration — aberracja absorption — absorpcja accelerating electrode — elektroda przyspie szająca acceptor (atom) — atom akceptorowy access — dostęp acoustics — akustyka a.c. resistance — rezystancja dynamiczna active — czynny, aktywny adjustable — nastawny admittance — admitancja aerial — antena afterglow — poświata air — powietrze alphanum eric — alfanumeryczny a.c., alternating current — prąd przemien ny amplification — wzmocnienie (sygnału) amplifier — wzmacniacz amplitude — am plituda analog — analogowy angle — kąt anode — anoda antenna — antena apparent power — moc elektryczna pozorna approxim ation (of characteristic curve) — aproksymacja (charakterystyki) atom — atom avalanche ionization — jonizacja lawinowa
B backing — podłoże backward diode — dioda wsteczna band-elim ination filter — filtr środkowozaporowy band-pass filter — filtr pasmowy, środkowoprzepustowy band-stop filter — filtr środkowozaporowy bandwidth — szerokość pasma barrier — bariera barrier layer — warstwa zaporowa base — baza (tranzystora) beam — wiązka prom ieniowania bias — polaryzacja, przesunięcie punktu pracy
bidirectional — dwukierunkowy bidirectional diode thyristor, diac — diak bilateral diode switch — tyrystor bilateral triode switch, triac — tyrystor symetryczny, triak binary — dwójkowy bipolar — bipolarny black-and-white television picture tube — kineskop czarno-biały blanking — wygaszanie blasting — przeciążenie (mikrofonu) blocking — blokowanie blocking capacitor — kondensator bloku jący blocking layer — warstwa zaporowa breakdown — przebicie breakover — przełączanie (tyrystora) brightness — jaskrawość broadband — szerokopasmowy bundle — wiązka; zwijka (kondensatora)
c cable — kabel cable link — łącze kablowe capacitance — pojemność; reaktancja poje mnościowa capacitive reactance — reaktancja pojem no ściowa capacitor — kondensator capacity — pojemność elektryczna carrier — nośnik carrier frequency — częstotliwość nośna carrier mobility — ruchliwość nośników ła dunku carrier wave — fala nośna; przebieg no śny cathode — katoda cathode-ray tube — lampa obrazowa cathodoluminescence — elektronoluminescencja celi — ogniwo ceramic capacitor — kondensator ceramicz ny channel — kanał; tor; łącze charge carriers — nośniki ładunku charge storage diode — dioda ładunkowa choke — dławik; cewka dławikowa chrom inance channel — tor chrominancji
171
circuit — układ, obwód coaxial — współosiowy coefficient — współczynnik coil — cewka collector — kolektor (tranzystora) collector diode — złącze kolektorowe colour, color — barwa, kolor common-base connection — układ wspólnej bazy (WB, OB) comm on-em itter connection — układ wspól nego emitera (WE, OE) comm on-gate connection — układ wspólnej bramki complementary transistor pair — para kom plem entarna tranzystorów com ponent — element (elektroniczny) concentric cable — kabel współosiowy condenser — kondensator condition — warunek conductance — konduktancja conducting direction — kierunek przewodze nia conduction — przewodnictwo conductivity — konduktywność conductor — przewodnik conductor track — ścieżka przewodząca contact (electric) — styk continuous signal — sygnał analogowy contrast (ratio) — kontrast (obrazu telewi zyjnego) control electrode — elektroda starująca core — rdzeń coupling — sprzężenie crest value — wartość szczytowa crystal — kryształ, rezonator kwarcowy current — prąd current amplification factor — współczynnik wzmocnienia prądowego cut-off — odcięcie, przerwanie (dopływu) cut-off frequency — częstotliwosc graniczna cut-off region — obszar odcięcia cut-off voltage — napięcie odcięcia
D dark current — prąd ciemny dark resistance — rezystancja ciemna decay time — czas opadania (impulsu) defect elektron — dziura elektronowa deflection — odchylanie (wiązki elektro nowej) deflection yoke — zespół cewek odchylają cych delay line — linia opóźniająca
172
dem odulation — demodulacja dem odulator — dem odulator density o f carriers — koncentracja nośników ładunku density of impurities — koncentracja domie szek depletion layer — warstwa zubożona depth of modulation — głębokość m odu lacji detection — detekcja detector — detektor diac — diak dielectric — dielektryk dielectric loss angle — kąt strat dielektrycz nych (tangens kąta stratności) dielectric loss factor — współczynnik strat dielektrycznych differential amplifier — wzmacniacz różnico wy differential resistance — rezystancja dyna miczna diffraction — dyfrakcja diffusion — dyfuzja digital — cyfrowy digital-circuit engineering — technika cyfro wa diode — dioda d.c., direct current — prąd stały directional microphone — m ikrofon kierun kowy directional response pattern — charaktery styka kierunkowości (przetwornika elek troakustycznego) display matrix — wskaźnik półprzewodni kowy mozaikowy display segment — wskaźnik półprzewodni kowy segmentowy distorsion — zniekształcenie donor — atom donorowy, donor dopant — domieszka półprzewodnika doped sem iconductor — półprzewodnik do mieszkowany doping — domieszkowanie double-base diode — tranzystor jednozłączowy drain — dren (tranzystora polowego) drift — dryft duty — obciążenie; warunki pracy (urządze nia)
E earphone — słuchawka earthing — uziemienie
effect — zjawisko effective current — skuteczna wartość prądu efficiency — sprawność electric field — 'pole elektryczne electric field strength — natężenie pola elek trycznego electrode — elektroda electroluminescence — elektroluminescencja electroluminescent display — wskaźnik elek troluminescencyjny electrolytic — elektrolityczny electromagnetic field — pole elektrom agne tyczne electromagnetic wave — fala elektromagne tyczna electron gun — wyrzutnia elektronowa, działo elektronowe electron lens — soczewka elektronowa electron vacancy — dziura elektronowa electronvolt — elektronowolt, eV electron-hole pair — para elektron-dziura electronic — elektroniczny electronic engineer — elektronik electronics — elektronika electrostatic deflection — odchylanie elektry czne electrostatic focusing — ogniskowanie elek tryczne emission — emisja em itter — emiter tranzystora em itter junction — złącze emiterowe energy — energia enhancem ent'(m ode) transistor — tranzystor połowy z kanałem wzbogacanym Esaki diode — dioda tunelowa
F fading — zanik sygnału fali — opadanie (zbocza sygnału) family of characteristics — rodzina charak terystyk feedback — sprzężenie zwrotne feedback (control) loop — pętla sprzężenia zwrotnego Fermi energy — energia Fermiego fiber (fibre) — włókno (światłowodowe) field — pole field effect transistor, FET — tranzystor po łowy filter — filtr fixed capacitor — kondensator stały fluorescence — fluorescencja
focusing — ogniskowanie forward bias — polaryzacja w kierunku przewodzenia frame — ram ka; kadr frequency — częstotliwość frequency band — pasmo częstotliwości frequency changing — przem iana częstotli wości frequency characteristic — charakterystyka częstotliwościowa frequency m odulation, FM — modulacja częstotliwościowa frequency multiplier — powielacz częstotli wości frequency-selective device — filtr (elektrycz ny) frequency range — zakres częstotliwości
G gain — wzmocnienie (sygnału) gap factor — współczynnik modulacji gate — bram ka elektroniczna; bram ka tran zystora polowego generation — generacja (nośników ładunku) grid — siatka (lampy elektronowej) grid bias — napięcie polaryzacji siatki steru jącej ground — uziemienie G unn diode, G unn oscillator — dioda Gunna
H Hall-effect device, Hall generator — hallotron harm onie current — prąd sinusoidalny harm onie frequency — częstotliwość harm o niczna high-frequency amplifier — wzmacniacz wielkiej częstotliwości high-pass filter — filtr górnoprzepustowy hole (in a semiconductor) — dziura elektro nowa hot carriers diode — dioda Schottky’ego
I ignition coil — cewka indukcyjna illumination — natężenie oświetlenia image — obraz im patt ionization — jonizacja zderzeniowa impedance — impedancja impedance coil — dławik impulse — impuls (elektryczny) impulse technique — technika impulsowa
173
im purity — domieszka (półprzewodnika) inductance — indukcyjność induction — indukcja induction coil — cewka indukcyjna input — wejście insulated gate field-effect transistor, IG FE T — tranzystor połowy z izolowaną bram ką intensity — natężenie interference — zakłócenia (sygnału) inverse current — prąd wsteczny ion — jon ionization — jonizacja irradiance — natężenie prom ieniowania
J junction — złącze junction capacitance — pojemność złącza junction diode — dioda złączowa junction field-effect transistor, JF E T — tranzystor połowy złączowy
K kinescope — kineskop
L lag — opóźnienie lead — wyprowadzenie; przewód leakage — upływ (prądu) leakage current — prąd zerowy lifetime — czas życia (nośników) light — światło light activated silicon controlled rectifier — fototyrystor light-emitting diode, LED — dioda elektro luminescencyjna light guide — światłowód, falowód optyczny light quantum — foton linear contact — kontakt omowy line o f flux — linia siły pola magnetycz nego line o f force — linia siły pola elektrycz nego liquid crystal — kryształ ciekły liquid crystal display, LCD — wskaźnik cie kłokrystaliczny load, loading — obciążenie logic, logical — logiczny long line — linia długa loss — strata loss angle — kąt strat (dielektrycznych) loudspeaker — głośnik
174
low-pass filter — filtr dolnoprzepustowy low-stop filter — filtr górnoprzepustowy luminance — luminancja luminance channel — tor luminancji luminescence — luminescencja lum inophor(e) — lum inofor luminosity — jaskraw ość
M magnet — magnes magnetic field — pole magnetyczne magnetic flux — strumień magnetyczny magnetic flux density, magnetic induction — indukcja magnetyczna magnetoresistive effect, magnetoresistance — zjawisko G aussa (zjawisko magnetorezystywne) matching — dopasowanie matrix (unit) — matryca, mozaika mean life — średni czas życia mem brane — mem brana microelectronics — m ikroelektronika m icrophone — mikrofon microwaves — mikrofale microwave technique — technika m ikrofa lowa middle conductor, zero lead — przewód ze rowy mid-range loudspeaker — głośnik średniotonowy m irror — zwierciadło mobility — ruchliwość (nośników ładunku) mode — m od (światłowodowy) modulation — modulacja m odulation factor — głębokość modulacji m odulator — m odulator monochrom e — monochromatyczny monocrystal — monokryształ mulliple-emitter transistor-overlay — tran zystor wieloemiterowy
N negative charge — ładunek ujemny noise — szum nominal — znamionowy nonlinear — nieliniowy
O offset — odstrojenie offset voltage — napięcie niezrównoważenia off-state — stan blokowania (tyrystora) on-state — stan przewodzenia (tyrystora)
operating point — punkt pracy operational amplifier — wzmacniacz opera cyjny optical cable — kabel światłowodowy optical fiber — światłowód włóknisty optical fiber link — łącze światłowodowe optical waveguide — światłowód, falowód optyczny optically coupled isolator — transoptor optics — optyka optoelectronics — optoelektronika optoelectronik coupler — transoptor optoisolator — transoptor oscillation — drganie, oscylacja oscillator — generator drgań oscilloscope tube — lampa oscyloskopowa out of phase — przesunięty w fazie output — wyjście
P param eter — param etr passive element — element bierny peak point — punkt szczytu peak-to-peak value — wartość międzyszczytowa percentage m odulation — głębokość m odu lacji period — okres perm anent magnet — magnes trwały permeability magnetic — przenikalność m a gnetyczna (materiału) permittivity — przenikalność elektryczna (materiału) persistence — poświata (ekranu luminescencyjnego) phase — faza phase deviation — dewiacja fazy phase change, phase displacement, phase shift — przesunięcie fazowe phosphor — luminofor phosphorescence — fosforescencja photocathode, photoelectric cathode — fo tokatoda photocell, photoelectric cell — fotokom órka photoconductivity — fotoprzewodnictwo photocurrent — prąd fotoelektryczny photodiode — fotodioda photoeffect — zjawisko fotoelektryczne photoelectric — fotoelektryczny photoluminescence — fotoluminescencja photon — foton photorcsistor — fotorezystor
photovoltaic cell, photoelement — foto ogniwo phototransistor — fototranzystor photothyristor — fototyrystor picture — obraz picture signal — sygnał wizyjny picture tube — kineskop, lampa obrazowa pinch-off — odcięcie (kanału w tranzysto rze) pinch-off voltage — napięcie odcięcia ka nału point-contact diode — dioda ostrzowa polarity — biegunowość polarization — polaryzacja polycrystal — polikryształ positive — dodatni potential — potencjał potential difference — napięcie elektryczne, różnica potencjałów potential source — źródło napięcia potentiom eter — potencjometr, rezystor ob rotowy power — moc primary — pierwotny, podstawowy primary cell — ogniwo elektryczne propagation — propagacja pulse — impuls pulse generator — generator impulsowy, im pulsator pulse leading edge — zbocze przednie im pulsu pulse shaping — kształtowanie impulsów pulse trailing edge — zbocze tylne inpulsu
Q Q -factor of a coil — dobroć cewki quality factor — współczynnik dobroci quarter-wave lenght line — linia ćwierćfalowa
R radiation — promieniowanie range — zakres, przedział reactance — reaktancja reactive power — moc elektryczna bierna real power — moc elektryczna czynna reception — odbiór recom bination — rekombinacja rectification — prostowanie (prądu) rectifier diode — dioda prostownicza reference voltage — napięcie odniesienia reflection — odbicie region — obszar
175
regulator — stabilizator remote control — sterowanie zdalne (urzą dzeń) resistance — rezystancja resistor — rezystor resistivity — rezystywnosć resolution — zdolność rozdzielcza resonance — rezonans reverse bias — polaryzacja w kierunku zapo rowym rise time — czas narastania root-mean-square value — wartość skuteczna wielkości okresowej
s sample — próbka saturation — nasycenie sawtooth pulse — impuls pilokształtny scanning (in reception) — synteza obrazu scanning system — tor synchronizacji i od chylania screen — ekran screening — ekranowanie secondary — wtórny selective — selektywny self-excited oscillator — generator samowzbudny self-induction — indukcja własna semiconductor — półprzewodnik sender — nadajnik sensitivity — czułość series — szeregowy setting — nastawianie set-up time — czas ustalania short-circuit, shorting — zwarcie signal — sygnał single crystal, monocrystal — monokryształ snap-off diode — dioda ładunkowa soldering — lutowanie sound — dźwięk sound channel — tor foniczny (w odbiorni ku telew izyjnym source — źródło spectrum — widmo spectrum analyser — analizator widma square-wave generator — generator przebie gów prostokątnych stabilization — stabilizacja static — statyczny steady state — stan ustalony
176
step-recovery diode — dioda ładunkowa stopping capacitor — kondensator bloku jm y storage time — czas magazynowania (w złą czu PN) subwoofer — glos'nik niskotonowy supply voltage — napięcie zasilania susceptance — susceptancja switching — przełączenie, wyłączenie switching diode — dioda impulsowa synchronization — synchronizacja
T temperature — temperatura thermistor, tem perature-sensitive resistor — termistor NTC threshold — próg thyristor — tyrystor timbre — barwa dźwięku time — czas trace — linia (w lampie obrazowej) track — trzymać, śledzić transadmittance — transadmitancja transconductance — transkonduktancja transistor — tranzystor transition frequency — częstotliwos'ć grani czna transmittance — transmitancja triac — triak tri angular-wave oscillator — generator prze biegów trójkątnych trimmer capacitor — kondensator dostrojczy, trymer tuned amplifier — wzmacniacz rezonan sowy tunnel diode — dioda tunelowa tum-on voltage — napięcie progowe (włą czania) tweeter — glos'nik wysokotonowy
U unijunction transistor — tranzystor jednozłączowy unipolar transistor — tranzystor unipolarny
V valence band — pasmo podstawowe, pasmo walencyjne valley current — prąd doliny
variable capacitance diode — dioda pojem nościowa, warikap variable capacitor — kondensator nastawny variable resistor — rezystor nastawny, warystor varicap — dioda pojemnościowa varactor — w araklor varistor, voltage-dependent resistor — warystor, rezystor sterowany napięciowo vibrations — oscylacje, drgania video amplifier — wzmacniacz wizyjny video carrier — (częstotliwość) nośna wizji voltage — napięcie (elektryczne) voltage-regulator diode — dioda stabilizują ca napięcie
12 — P od staw y e le k tro n ik i I
W wafer — płytka półprzewodnikowa w att-hour efficiency — sprawność energety czna wattless power — moc elektryczna bierna wave — fala, przebieg wavelength — długość fali wide-band — szerokopasmowy winding — uzwojenie woofer — głośnik niskotonowy working point — punkt pracy
Z Zener breakdow n — przebicie Zenera (złą cza PN) zone — strefa, obszar
Skorowidz aberracja sferyczna 40 — chromatyczna 40 admitancja wyjs'ciowa 102 akcelerator cząstek naładowanych 38 analizator prędkos'ci 38 anizotropia 40 anoda 46, 78, 117 antena 161, 166 — nadawcza 161, 166 astygmatyzm 40, 44 bariera energetyczna 66, 137 baza 92, 117 bel 24 błąd asymetrii układu odchylającego 44 — odchylenia układu odchylającego 44 — odwzorowania 40, 43 — obrazu 40 bramka 118 całkowite odbicie 33 całkowity sygnał wizyjny 168 cewka 20 — bezrdzeniowa 20 — cylindryczna 20 — drukowana 20 — ekranowa 20 — jednowarstwowa 20 — kwadratowa 21 — nieekranowana 20 — płaska 20 — rdzeniowa 20 — spiralna 21 — toroidalna 20 — wielowarstwowa 20 charakterystyka — częstotliwos'ciowa 131 — czułos'ci widmowej 136, 139 — kątowa promieniowania 131 — kierunkowa 29 — napięciowo-prądowa 62, 82, 115, 138 — oddziaływania pola magnetycznego 65 — oddziaływania prądu sterującego 65 — przejściowa 96, 123, 126 — przenoszenia 25 — spektralna 45 — statyczna 64, 96, 97 — wejs'ciowa 96, 97 — widmowa 131 — wyjściowa 6 4 ,9 6 , 123, 126 — zwrotna 96, 97 ciekły kryształ 141
178
ciśnienie akustyczne 25 czas przelotu nos'ników 75, 94 — przełączania 89 — ustalania prądu wstecznego 82, 87 — włączania 75, 120 — wyłączania 75, 108, 120 — życia nośnika 5 2 ,7 3 , 131 --------nośników mniejszościowych 94 częstotliwość dolna 149 — górna 149 — graniczna 78, 104, 108, 124, 127, 131, 149 — heterodyny 165 — maksymalna 86 — nos'na 157, 163, 166, 168 — pos'rednia 153, 165 — rezonansu własnego 22 — środkowa 153, 165 czułos'ć odchylania 43 — połowa 65 — prądowa 65, 88 — widmowa 133, 138 czujnik Halla 63 defekty sieci krystalicznej 52, 134 demodulacja 154, 158 demodulator 158, 161, 165, 166 dewiacja częstotliwos'ci 157 — fazy 158 diak 114, 118 dioda detekcyjna 78, 88 — dużej mocy 82 — dyfuzyjna 78 — elektroluminescencyjna 129 — epiplanarna 78 — generacyjna 89 — germanowa 78 — Gunna 78, 90 — impulsowa 78, 87 — krzemowa 78 — lawinowa 78, 90 — ładunkowa 87 — malej mocy 82 — mesa 78 — mieszająca 78, 88 — mikrofalowa 78 — modulacyjna 90 — ostrzowa 78, 87, 88, 89 — PIN 78, 90 — planarna 78 — pojemnościowa (warikap) 78, 85
dioda półprzewodnikowa 78 — prostownicza 78, 82 — przełączająca 87 — Schottky’ego 87, 88, 89 — stabilizacyjna 84 — stopowa 78 — średniej mocy 82 — s'wiecqca 132, 139 — tłumiąca 90 — tunelowa 78, 87 — uniwersalna 78 — warstwowa 78 — wsteczna 88 — wzmacniająca 89 — Zenera 78 — zwrotna 89 dipol 141 dławik 21, 22 długość fali promieniowania 129, 134, 136 dno pasma przewodnictwa 53 dobroć 21, 86 domieszka 52, 131 — akceptorowa 53 — donorowa 53 dopasowanie impedancji 33 droga dyfuzji 56 — swobodna 56 dyfrakcja 40 dyfuzja 56, 66 dynistor 114,116 — symetryczny 118 dystorsja 44 — beczkowata 44 — poduszkowata 44 dziura 51 efekt Earle’go (patrz zjawiska Earle’go) — Gunna 90 ekran matowy 22 elektroluminescencja 44 elektronowolt 51 element przełączający 114 emiter 92, 117 energia sVietlna 44 filtr pasmowoprzepustowy 149, 161, 163, 166 fluorescencja 45 fosforescencja 44 fotodetektor 132 fotodioda 132, 134, 138 fotokatoda 132 fotoluminescencja 45 fotoogniwo 132, 134, 138 fotorezystor 132, 133
fototranzystor 132, 137 — z wyprowadzoną końcówką bazy 138 fototyrystor 132, 139 funkcja przenoszenia 147 gaussotron 65 generacja pary elektron-dziura 52 generator 152 — Halla 63 — impulsowy 152 — przebiegu liniowego 152 -------------piłokształtnego 152 -------------trójkątnego 152 --------prostokątnego 152 — sinusoidalny 152 — sterowany 153 — synchronizowany 152 — wyzwalany 152 glos'nik 24, 161 — dynamiczny 24 — niskotonowy 25 — otwarty 25 — standardowy 25 — szerokopasmowy 25 — s'redniotonowy 25 — tubowy 25 — ultrawysokotonowy 25 — wysokotonowy 25 hallotron 63 heterozłącze 66 heterodyna 153, 164 homozłącze 66 impedancja falowa 32 — wejściowa 102 — wyjs;ciowa 29 — znamionowa 25 indukcyjnosc — jednostkow a 32 — własna 21 jaskraw ość 48 — elektronowa 43 jonizacja zderzeniowa 71 kanał indukowany 125 — wbudowany 125 katoda 46, 78, 117 kąt graniczny 33 — Halla 59 — krytyczny 33 — odbicia 33 — odchylania 49 — padania 33 kierunkowos'ć mikrofonu 29
179
kineskop 46, 166 — typu A 47 — typu IL 47 — typu PIL 47 — typu trynitron 47 klasa dokładności 13 kod barwny 14 — literowo-cyfrowy 14 kolektor 92, 117 koma 40, 44 koncentracja 52 — samoistna 52 kondensator 11, 16 — biegunowy 17, 18 — ceramiczny 17, 19 — elektrolityczny 17 --------aluminiowy 18 --------tantalowy 18 — impulsowy 16 — mikowy 17 — niebiegunowy 17, 18 — o logarytmicznej zmianie pojemności 20 — o prostoliniowej zmianie częstotliwości 20 — o prostoliniowej zmianie długości fali 19 — o prostoliniowej zmianie pojemności 19 — o zmiennej pojemności 17, 19 — obrotowy 20 — papierowy 17 — poliestrowy 18 — polipropylenowy 18 — polistyrenowy 18 — powietrzny 17, 19 — stałonapięciowy 16 — z dielektrykiem powietrznym 19 — z tworzyw sztucznych 17 — zmiennonapięciowy 16 konduktancja różniczkowa złącza 74 — wejściowa 101 — wyjściowa 101 konduktywność 56 kontrast 48, 142, 143 kwant prom ieniowania elektromagnetycz nego 52 lampa elektronopromieniowa 38 — oscyloskopowa 45 — pamiętająca 46 — wielostrumieniowa 46 — z rozdzielnym strumieniem 46 lawinowa jonizacja zderzeniowa 71 linia długa 31 — ćwierćfalowa 33
180
— koncentryczna (współosiowa) 31 — pólfalowa 33 — symetryczna 31 liniowość odchylania 43 lum inofor 44, 46 łącze optoelektroniczne 132 magnetorezystor 11,65 maksymalna częstotliwość 86,1 2 4 --------generacji 105, 108, 124 -------- pracy 46 — moc 108 strat 85 maksymalny kąt obserwacji 141 maskownica 47 materiał półprzewodnikowy 51 membrana 25, 29 — o kształcie czaszy kulistej 25 płaskim 25 --------stożkowym 25 --------wykładniczym 25 memotron 46 mieszacz 153, 164 mikrofon 2 4 ,2 9 , 161 — bezprzewodowy 30 — ciśnieniowy 29 — dynamiczny 29 — gradientowy 29 — magnetoelektryczny 29 — piezoelektryczny 29 — pojemnościowy 30 — przewodowy 30 — węglowy 29 moc emitowana 131 — strat 131 — znamionowa 14, 25, 63 mod światłowodowy 34 model Ebersa-Molla 103 — pasmowy 53 modulacja 154, 158 — amplitudy 154 — częstotliwości 154, 157 — fazy 155, 157 — rezystancji kanału 126 — szerokości bazy 97 modulator 154, 161, 166 monokryształ 51 napięcie dyfuzyjne 66 — charakterystyczne 63 — nasycenia 104, 108, 116, 122, 126 — odcięcia 125, 126 — progowe 125, 126 — przebicia 70, 99
napięcie przełączania 120 — przewodzenia 82, 84, 131 — stabilizacji 84 — wsteczne 82, 131, 134 — znamionowe 17 natężenie os'wietlenia 133 — promieniowania 130 nieskompensowany ładunek 137 nośnik swobodny 51 — mniejszościowy 54, 68, 69, 93 — większościowy 54, 66, 68, 69, 93 obraz 39, 166 obszar pracy aktywnej 99 — przyzłączowy 67 odbiornik fotoelektryczny 132 — superheterodynowy 164 odcięcie kanału 122,126 odcinkowo-liniowe modele tranzystora 103 oddziaływanie wsteczne 97 para nadmiarowa 56 — elektron-dziura 52, 68, 69 parametry charakterystyczne 98 — dynamiczne 99 — graniczne 98 — maksymalne 99 — statyczne 98 pasmo użytkowe głośnika 25 — podstawowe 52 — przenoszenia 105 — przewodnictwa 52 — zabronione 5 1 ,5 2 płytki odchylające 43 łamane 43 --------płaskorównolegle 43 --------profilowane 43 -------- ukośne 43 polaryzacja złącza 67, 93 --------w kierunku przewodzenia 67, 129 --------w kierunku zaporowym 68, 84, 85,137 pole wzmocnienia 104 połówkowa szerokość spektralna promienio wania 131 pojemność diody 87 — dyfuzyjna 73, 101 — jednostkow a 32 — sprzęgająca 17 — warstwy zaporowej 74 — własna 21 — złącza 86 ,9 9 , 101, 134 — znamionowa 17 poświata 44 potencjometr 11, 15 — drutowy 15
— o charakterystyce liniowej 15 — o charakterystyce logarytmicznej 15 — o charakterystyce wykładniczej 15 — warstwowy 15 powierzchnia światłoczuła 134 poziom akceptorowy 54 — donorowy 53 półprzewodnik 50 — akceptorowy 54 — bipolarny 58 — domieszkowany 53 — niesamoistny 53 — samoistny 52 — silnie domieszkowany 54 — typu N 53 — typu P 54 — unipolarny 58 półprzewodnikowy wskaźnik cyfrowy (patrz wskaźnik cyfrowy) 139 prawo załamania 39 prąd ciemny 133,1 3 7 ,1 3 8 — dyfuzyjny 56, 68, 69 — fotoelektryczny 133, 135, 137, 138 — nasycenia diody 81 --------drenu 124, 126 --------złącza 70 — płynący przez złącze 69 — przełączający bramki 120 — przewodzenia 131 — stabilizacji 84 — termokinetyczny 58, 66, 68, 69 — trzymania 120 — unoszenia 56, 67, 69 — upływowy 17 — wsteczny 82, 84, 86, 87 — zerowy 94, 108 kolektora 94 — zwarcia 135 promień elektronu 39 przebicie lawinowe 100 — skrośne 100 — wtórne 100 — Zenera 99 — złącza 70 przecinkowość 40 przejście tunelowe 70, 72 przełączanie diody 75 — dynistora 118 — tranzystora 106 — triaka 119 — tyrystora 119 przemiana częstotliwości 153
181
przetwornik dynamiczny 24 — elektroakustyczny 24 — elektromagnetyczny 24 — piezoelektryczny 24 — pojemnościowy 24 — węglowy 24 pulsacja graniczna 104 punkt doliny 88 — szczytu 87 rekombinacja 52 ,9 3 , 129 — promienista 52, 129 — pary elektron-dziura 52 rezonans mechaniczny 25 rezystancja II — bazy 98, 100 — ciemna 134 — dynamiczna 84, 88 — jednostkow a 32 — kanału 124 — międzybazowa 116 — nominalna 62 — obciążenia 136 — szeregowa 86 — termiczna 134 — ujemna 88 — wejściowa 95 — wyjściowa 95 — znamionowa 13 rezystor 11 — cienkowarstwowy 12 — dokładny 13 — drutowy 12 — grubowarstwowy 12 — liniowy 11, 13 — metalizowany 12 — niedrutowy 12 — nieliniowy 13 — objętościowy 13 — regulowany 90 — warstwowy 12 — węglowy 13 — zmienny 11,15 rezystywność 58, 74 — półprzewodnika 59 rotor 19 rozdzielczość 48 rozogniskowanie wiązki 44 rozproszenie 142 ruchliwość nośnika 56 schemat zastępczy diody 78, 81 --------tranzystora 100 -------------hybrydowy 100, 102
182
-------------Ebersa-Molla 100, 103
---------- typu n
100
sieć krystaliczna 51 --------defekty 52 siła elektromotoryczna fotoelektryczna 135 składowa harmoniczna 147 składowa stała 147 — zmienna 147 skręcenie obrazu 40 skuteczność mikrofonu 29 słuchawka 24, 28 — elektromagnetyczna 28 — elektrostatyczna 28 — dynamiczna 28 soczewka elektronowa 38,41 — katodowa 42 — kwadrupolowa 42 — immersyjna 41 — oktupolowa 42 — przesłonowa 42 — sym etryczna 42, 43 sprawność detekcji 88 — emisji promieniowania 130 — energetyczna 135 — kwantowa zewnętrzna 131 stabilitron 78 stan aktywny 98, 104 — blokowania 115, 117, 139 — inwersyjny 98 — nasycenia 98, 104, 126 — nieprzewodzenia 115 — pracy tranzystora 98 — przewodzenia 115, 117, 139 — włączenia 115 — wyłączenia 115 — zaporowy 117 — zatkania 98, 118 stator 19 struktura kryształu 141 — cholesterolowa 141 — nematyczna 141 — smektyczna 141 strumień energetyczny 130 sygnał analogowy 146 — cyfrowy 146 — elektryczny 146 — fonii 168 — luminancji 168 — nośny 155, 156, 157 — synchronizacji 168 — wejściowy 147 — wyjściowy 147, 156
sygnał użyteczny 156, 157, 158 — zmodulowany amplitudowo 154, 158 sygnał zmodulowany częstotliwościowo 157 fazowo 157 synteza obrazu 169 szeregi wartości rezystancji znamionowych 13 szerokość pasm a zabronionego 129 — warstwy zaporowej 67,71 światłość 130 światłowód 33, 132 — jednom odowy 34 — jednowłóknowy 33, 36 — wiązkowy 33, 36 — wielomodowy 34 tangens kąta stratności 17 temperaturowy współczynnik napięcia stabi lizacji 84 --------pojemności 17 --------rezystancji 51, 62 termistor 11,61 — o dodatnim współczynniku tem peraturo wym rezystancji (PTC) 61 — o skokowej zmianie rezystancji (CTR) 61 — o ujemnym współczynniku tem peraturo wym rezystancji (NTC) 61 tłumienie światłowodu 35 tolerancja rezystancji 13 tor elektronu 38 — fonii 168 transkonduktancja 101, 127 transmisja 160 — obrazu 165 transoptor 132 — otwarty 132 — zamknięty 132 tranzystor 91, 137 — bipolarny 91 — dryftowy 91 — dyfuzyjny 91 — dużej mocy 92, 109 — jednozłączowy 114,115 — małej częstotliwości 92, 109 — małej mocy 92, 109 — normalnie wyłączony 92 — normalnie załączony 92 — połowy 91, 121 — średniej mocy 92, 109 — unipolarny 91, 121 — wielkiej częstotliwości 92, 109 — z izolowaną bramką 91, 121, 125 — z jednorodną bazą 9 1 ,9 4 — z kanałem wzbogacanym 92, 121 zubożanym 92, 121
— z niejednorodną bazą 91, 94 — złączowy 91, 121 tranzystory komplementarne 112 triak 114, 119 trwałość diod elektroluminescencyjnych 131 trymer 19, 20 tyrystor 114,118 — symetryczny 119 ujemna rezystancja dynamiczna 72 układ odchylający 38, 43 — elektronooptyczny 38 — ze wspólną bazą 95 — ze wspólnym emiterem 95 — ze wspólnym kolektorem 95 upływność jednostkow a 32 urządzenie elektronowiązkowe 38 waraktor 78, 85 warikap 78, 85 warystor 11, 62 warstwa akumulacyjna 125 — inwersyjna 125 — zaporowa 67 — zubożona 67, 125 wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne 132 wewnętrzny współczynnik blokowania 115 wiązka elektronowa 39, 43 widmo częstotliwości 147,156 — dyskretne 147 — prążkowe 147 widmowy zakres pracy 134 wierzchołek pasma podstawowego 54 włączanie tranzystora 107 włókno szklane 33 wskaźnik ciekłokrystaliczny 141 --------z efektem polowym 143 --------z rozproszeniem dynamicznym 143 — cyfrowy 139 --------alfanumeryczny 140 --------hybrydowy 139 -------------światłowodowy 140 --------monolityczny 140 --------mozaikowy 140 --------segmentowy 140 — optyczny 132 współczynnik dyfuzji 56 — głębokości modulacji 156 — Halla 59 — nieliniowości 62 — odchylania 46 — powielania lawinowego 71 — przenoszenia 32 --------prądowego .102 --------wstecznego 102
183
współczynnik przesunięcia 32 — temperaturowy rezystancji 62 — tłumienia 32 — wewnętrzny blokowania 116 — wzmocnienia prądowego 103 — załamania 39 wyłączanie tranzystora 107 wyrzutnia elektronowa 38, 42, 43, 45, 47 wzór Einsteina 56 wzmacniacz 149, 161 — m.cz. 149 — operacyjny 152 — różnicowy 151 — selektywny 151 — stałoprądowy 151 — szerokopasmowy 151 — w.cz. 151, 166 wzmocnienie 149 — napięciowe 95, 149 — mocy 95 — prądowe 93, 95, 108, 149 zakres barw 48 — pracy liniowy 123 — pracy nasycenia 123 — przetwarzanych częstotliwos;ci 25, 29
zakrzywienie pola 44 zamknięcie (odcięcie) kanału 122 zespól głosmikowy 26 — dwudrożny 26 — trójdrożny 26 — w obudowie otwartej 26 — w obudowie zamkniętej 26 zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne 132 złącze 66 — emiterowe 92 — kolektorowe 92 — PN 6 6 ,7 5 ,9 2 ,1 0 3 ,1 3 4 zjawisko Early’ego 97, 101 — elektroluminescencyjne 129 — Gaussa 59, 65 — Halla 59, 63 — lawinowe 70, 84, 90 — tunelowe 72, 87 — Zenera 70, 84, 89 zwierciadło elektronowe 42 źródło energii 38 — prądu 137 — prom ieniowania niewidzialnego 129 — promieniowania widzialnego 129 — zasilania 136
Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
Bracławski K., Siennicki A.: Elementy półprzewodnikowe. WSiP. Warszawa 1988 r. Encyklopedia Elektroniki. WNT. Warszawa 1983 r. Filipkowski A.: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT. Warszawa 1980 r. Kania J.: Kineskopy kolorowe i ich zespoły. WKiŁ. Warszawa 1988 r. Kulka Z., Nadachowski M.: Analogowe układy scalone. W KiŁ. Warszawa 1980 r. M arciniak W.: Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone. WNT. Warszawa 1984 r. Marusak A.: Urządzenia elektroniki. WSiP. Warszawa 1987 r. M asewicz T.: Radioelektronika dla praktyków. Warszawa 1986 r. Nowakowski W.: Podstawowe układy elektroniczne. Układy impulsowe. WKiŁ. Warszawa 1982 r. Optyka elektronowa. Praca zbiorowa. WKiŁ. Warszawa 1984 r. Pawlaczyk A.: Elementy i układy optoelektroniczne. WKiŁ. Warszawa 1984 r. Poradnik radiotechnika. Rydzewski J.: Oscyloskop elektroniczny. WKiŁ. Warszawa 1982 r. Sosiński B.: Poradnik warsztatowy. Naprawa kalkulatorów i zegarków elektronicznych. WNT.
Warszawa 1984 r. 15. Świt A., Półtorak J.: Przyrządy półprzewodnikowe. WNT. Warszawa 1979 r. 16. Urbański B.: Elektroakustyka. WSiP. Warszawa 1977 r. 17. Witort A.: Głośniki i zespoły głośnikowe. WKiŁ. Warszawa 1977 r.
DD WSiP Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna
Krzysztof Sacha
Komputer w szkole i w domu Grzegorz Płoszajski
Elem en ty in fo rm a tyk i użytkowanie komputera Andrzej Rydzewski
Ilu stro w a n y sło w n ik techniki ko m putero w ej
![Podstawy elektroniki cz.2 [B.Piorko]](https://docer.tips/img/300x300/podstawy-elektroniki-cz2-bpiorko_5a64bbc4d64ab2d5605951df.jpg)
