BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA ZABILJEKE S PREDAVANJA 14

BRODSKA ELEKTROTEHNIKA I ELEKTRONIKA ZABILJEŠKE S PREDAVANJA 14 Napomena: kompletno gradivo je u literaturi, ovo su samo bitne natuknice

ELEKTRONIKA Elektronke ili elektronske cijevi su aktivni elektronički elementi. Nositelji električne struje u elektronskim cijevima su elektroni koji se gibaju u vakuumu ili u plinu niskog tlaka. Elektronke mogu biti: vakuumske i plinom punjene. Više se koriste vakuumske cijevi. Prva vakuumska elektronska cijev - razvoj elektronike Prva dioda (termionski ventil) - 1904. Fleming. Lee de Forest 1906. godine - u diodu uveo još jednu elektrodu te dobio triodu, koja je ima mogućnost regulacije električne struje. Od 1950. elektronke se napuštaju zbog otkrića poluvodiča. Od tada su cijevi u upotrebi uglavnom za specijalne namjene. Svaka vakuumska cijev sastoji se od staklene, ponekad metalne, cijevi s visokim vakuumom, u kojoj se nalaze metalne elektrode: katoda i anoda. Katoda je elektroda na nižem potencijalu (emitira elektrone). Između dviju temeljnih elektroda, katode i anode, mogu biti i druge elektrode (rešetke). Potencijalima na rešetkama može se regulirati tok elektrona od katode prema anodi.

EMISIJA ELEKTRONA IZ METALA Da bi elektron napustio metal potrebno mu je privesti energiju dovoljnu da svlada privlačne Coulombove sile koje postoje između jezgre i elektrona u elektronskom omotaču. Ovisno o načinu na koji se elektronima omogućuje napuštanje atoma razlikuju se četiri vrste emisija elektrona: • termoionska emisija; • emisija električnim poljem; • sekundarna emisija; • fotoemisija. Do emisije elektrona na termoionski način dolazi dovođenjem topline, tj. zagrijavanjem katode. Na višim temperaturama dio elektrona dobiva dovoljnu količinu energije i može napustiti katodu. Katode mogu biti izravno i neizravno grijane. Emisija električnim poljem je ona kod koje se emitirani elektroni dobivaju energiju iz električnog polja. Fotoemisija je kad elektorni dobivaju energiju svjetlošću. Sekundarna emisija je kad elektroni dobivaju energiju od drugih pobuđenih elektrona.

VAKUUMSKA DIODA Dioda električnu struju ne vodi jednako u oba smjera: ako je dioda u strujni krug priključena na način da je anoda na višem potencijalu od katode kroz diodu će prolaziti električna struja, u suprotnom neće. Nejednako vođenje električne struje s obzirom na polaritet priključenog napona osnovno je svojstvo diode: ispravljanje. Dioda izmjeničnu električnu struju pretvara u istosmjernu i nelinearan je elektronički element. Diode se još koriste pri detekciji signala niske frekvencije iz moduliranih visokofrekvencijskih signala, kao ograničivači napona te u nekim uređajima automatske regulacije. Ispravljačko djelovanje diode: Katoda se žari. Dolazi do značajne emisije elektrona iz materijala katode. Anoda je pozitivna, privlači emitirane elektrone i kroz cijev protječe struja. Ukoliko je anoda negativnija od katode odbijat će emitirane elektrone, te se oni vraćaju na katodu. Stoga kroz cijev ne protječe struja.

TRIODA Rešetka se izrađuje od tankih žičica između kojih mogu prolaziti elektroni. Promjenom napona između rešetke i katode mijenja se raspodjela potencijala u cijevi te se tako regulira tok elektrona. U cijevi sada postoje dva električna polja: anodno polje koje ubrzava elektrone i rešetkino polje koči kretanje elektrona. Rešetkino polje ima velik utjecaj jer je rešetka bliža katodi. Ipak anodno polje je jače. Dovodeći na rešetku veći negativni napon smanjuje se tok elektrona kroz cijev. S dovoljno visokim negativnim naponom rešetke može se potpuno blokirati struja kroz cijev. Triode mogu služiti za pojačanje struje – pojačala.

CIJEVI ZA VRLO VISOKE FREKVENCIJE Na visokim frekvencijama, 60 - 90 MHz, elektronske cijevi običnih izvedbi nisu više upotrebljive ni u pojačalima ni u oscilatorima. Uzrok tome je što na tim frekvencijama dolaze značajno do izražaja: - međuelektrodni kapaciteti, - velike induktivnosti dovode, - nemogućnost zanemarenja vremena proleta elektrona od katode do anode. Cijevi za visoke frekvencije su: magnetron, klisteron, katodna cijev, itd

KATODNA CIJEV Osnova je za rad klasičnih televizora i monitora, te analognih osciloskopa, radarskih zaslona i dr. Mora sadržati elektroniski top, otklonski sustav, zaslon i stakleni balon. Katoda emitira elektrone. Fokusirajuća elektroda sužava ili širi snop elektrona. Otkloni usmjeravaju elektrone na određenu točku zaslona. Katodna cijev je vakuumska da se elektroni ne bi raspršivali, a zaslon je fluorescentan da bi se svjetlucanje zadržalo do sljedeće slike u nizu. Na Slici 16. 19. prikazani su djelovi katodne cijevi: 1 – katoda, 2 – rešetka, 3 – prva ubrzavajuća elektroda (anoda), 4 – fokusirajuća elektroda, 5 – druga ubrzavajuća elektroda (anoda), 6 – ploče za okomiti otklon, 7 – ploče za vodoravni otklon, 8 – anoda za dodatno ubrzanje, 9 – fluorescentni zaslon, 10 – stakleni balon i 11 – priključci elektroda.

MAGNETRON Magnetron (magnetska dioda) je cijev s dvije elektrode u kojoj se elektroni kreću pod djelovanjem i električnog i magnetskog polja, koja djeluju međusobno okomito. Magnetron ima cilindričnu katodu koja emitira elektrone i oko nje koncentrično smještenu cilindričnu anodu sa šupljinama koje predstavljaju rezonatore. Elektroni se ne kreću radijalno od katode do anode pod utjecajem električnog polja, jer na njih utječe još okomito magnetsko polje. Prolazeći pokraj rezonatora elektroni mu predaju dio svoje energije, jer nailaze na visokofrekvencijsko električno polje koje ih usporava. Tako se podržavaju visokofrekvencijske oscilacije u rezonatorima. Rad je podešen tako da elektroni koji dolaze do rezonatora i bivaju ubrzani, dakle oni koji ne podržavaju oscilacije već ih guše, odlaze natrag na katodu, a elektroni koji predaju svoju energiju rezonatoru odlaze prema anodi, ali na svom putu još predaju dio svoje energije i drugim rezonatorima. Tako je ukupna energija koja se predaje rezonatorima veća od one koja se od njih prima pa se zbog toga oscilacije podržavaju.

CIJEVI PUNJENE PLINOM Radi postizanja više korisnih efekata, kao npr. više struje, neke se elektronke pune prikladnim neaktivnim plinom (npr. neonom, argonom, parama žive, itd). Plinske elektronke mogu imati hladnu i užarenu katodu. Iz hladne katode postiže se izlazak elektrona fotoemisijom ili sekundarnom emisijom, a iz užarene katode termoionskom emisijom. Princip izbijanja objašnjen je u 7. predavanju (vođenje kroz plinove). Osim tinjalica, u ovu vrstu cijevi spada i tiratron.

PODJELA POLUVODIČKIH MATERIJALA Poluvodički materijali imaju električnu otpornost između 10 -5 m 104 m. Posjeduju negativni temperaturni koeficijent otpora. Nositelji električne struje kod poluvodiča su elektroni po vodljivoj stazi i šupljine po valentnoj stazi. Spojeve tvore kovalentnom vezom: stvaranjem zajedničkih elektronskih parova. Poluvodički materijali mogu se podijeliti na: • prirodne elemente, • prirodne kemijske spojeve (i legure), • umjetno načinjene spojeve (keramika).

NAČELO VOĐENJA U POLUVODIČIMA, TIPOVI POLUVODIČA Atomi poluvodičkih materijala spajaju se kovalentnim vezama, tvoreći parove elektrona zajedničkih za oba atoma. Pri temperaturi apsolutne nule nema slobodnih elektrona. Povećanju temperature = veze se kidaju i postoji nešto slobodnih elektrona. Uz djelovanje električnog polja dolazi do vodljivosti. Dodavanjem 5 -valentne primjese (npr. N, P, As, Sb, Bi) u čisti monokristal germanija ili silicija (četverovalentni) primjesa će se kovalentnim vezama vezati sa četiri susjedna Si ili Ge atoma, a peti elektron primjese ostaje slobodan. Uslijed termičkog gibanja slobodni elektroni gibat će se kaotično, a kada djeluje vanjsko električno polje protjecat će električna struja. Ovo se naziva poluvodičem N-tipa (negativnog tipa). Peterovalentni atom primjese naziva se donorom. Donorske primjese=donorska razina u zabranj. pojasu = lakši prijelaz u vodljivi pojas

NAČELO VOĐENJA U POLUVODIČIMA, TIPOVI POLUVODIČA Dodavanjem trovalentne primjese (npr. In, B, Al, Ga) u čisti monokristal četverovalentnih germanija ili silicija jedna veza nije ostvarena. Tu nastaje tzv. šupljina. Šupljinama se kao nositeljima električne struje pridaje pozitivan karakter. Tako nastaje P-tip poluvodiča (pozitivan tip) jer su glavni nositelji električne struje šupljine. Trovalentni atom primjese naziva se akceptor (primatelj). Akceptorske primjese stvaraju u poluvodiču dopunske slobodne energijske razine na koje mogu preći elektroni iz popunjenog valentnog pojasa ostavljajući iza sebe šupljine.

Primjese unose nove energijske razine u zabranjeni pojas i time značajno utječu na vodljivost poluvodiča. Poluvodiči u kojima se elektroni i šupljine stvaraju u paru nazivaju se intrinzični (unutarnji) poluvodiči. Takvi su samo ako je materijal čist, a ako ima primjesa nazivaju se ekstrinzični (vanjski) poluvodiči. U poluvodiču s primjesama postoje slobodni nositelji elektriciteta (elektrona i šupljina) i vezani nositelji elektriciteta: ioni primjesa (negativni akceptori i pozitivni donori). Nositelji naboja mogu biti većinski i manjinski. U N-tipu poluvodiča većinski su elektroni, a manjinski šupljine. U P-tipu poluvodiča većinski nositelji su šupljine, a manjinski elektroni. U poluvodičima s velikim brojem primjesa može doći do preklapanja energijskih pojasa, te im svojstva postaju slična metalima. To su tzv. degenerirani poluvodiči. U zamkama se neko vrijeme zadržavaju slobodni nositelji elektriciteta, te se na taj način utječe i na vodljivost. U rekombinacijskim centrima se poništavaju elektroni i šupljine.

POJAVE U POLUVODIČIMA U poluvodičima se javljaju: - termoelektrične pojave: - Seebeckov učinak, - Peltierov učinak, - Thomsonov učinak, - elektromagnetske i termomagnetske pojave: - Hallov učinak, - Ettingshausenov učinak, - Nernstov učinak, - Righi-Leducov učinak, - fotoelektrične pojave: - fotovodljivost, - fotonaponski učinak, - elektroluminescencija, - piezoelektrične pojave: - piezoelektrični učinak.

Piezoelektrične pojave Piezoelektrični efekt je pojava stvaranja električnog naboja na površini posebno odrezanog kristala koji je elastično deformiran vanjskom silom. Jedna strana (površina) tog kristala nabit će se negativno, a druga pozitivno. Dakle, kristal postaje električki polariziran. Najznačajniji piezoelektrični materijali su kvarc (Si. O 2), Seignettova sol i turmalin, a u novije vrijeme PZT keramike.

Primjene piezoelektičnog efekta Elektromehanički pretvornici pretvaraju električnu energiju u mehaničku i obrnuto. Koriste se pasivno i aktivno. Pasivno kao senzori, kad samo primaju signale. Tu se izravno piezoelektrična svojstva koriste da bi se proizveo napon iz vanjskog naprezanja. Ovaj način uključuje hidrofone, podvodne prislušne naprave, mikrofone, fonograme, mjerne trake dinamičkog naprezanja, senzore vibracija i dr. U aktivnom modu se koriste za slanje akustičkih signala u medij. To uključuje nedestrukcijske procjene, pronalazače ribe/dubine, ink jet štampače, mikropozicijske naprave, mikropumpe, ultrazvuk u medicini.

PN SPOJ U svim tim elementima postoje mjesta dodira P i N tipa poluvodiča. Taj spoj ostvaruje se tehnologijskim postupkom, a ne mehaničkim kontaktom. Kad se spoje P i N tip poluvodiča dolazi do niza pojava na kojima se temelji poluvodička elektronika. Donorski i akceptorski ioni u nepolariziranom PN spoju ne učestvuju u vođenju električne struje, ali stvaraju električno polje koje djeluje na pokretljive naboje. Kontaktom P i N tipa poluvodiča dolazi u uskom dodirnom sloju do struje difuzije (elektroni iz N tipa prelaze u P tip i tu se rekombiniraju sa šupljinama i obrnuto). U sloju do dodirne površine u kojem je došlo do rekombinacije ostaju nepomični akceptorski i donorski ioni. Oni zbog prostornog rasporeda naboja stvaraju električni potencijal, koji sprječava potpunu rekombinaciju. Koncentracija naboja oko dodirne plohe sprječava daljnja difuzijska kretanja elektrona i šupljina. Taj se sloj naziva zapornim slojem. Razlika potencijala između dva kraja zapornog sloja naziva se kontaktnim naponom, a prepreka za gibanje glavnih nositelja elektriciteta naziva se potencijalnom barijerom.

PN SPOJ Priključivanjem PN spoja na izvor istosmjernog napona kroz njega će poteći električna struja, koja jako ovisi o polaritetu izvora. Razlikuju se propusna i nepropusna polarizacija. Propusno polarizirani PN spoj nastaje kada je P područje spojeno na pozitivan pol, a N na negativni pol. Električna struja kroz PN spoj poteći će ukoliko je napon vanjskog izvora veći od ekvivalentnog napona PN spoja. Elektroni će se kretati prema pozitivnom, a šupljine prema negativnom polu izvora. Ovo je izravna (direktna) struja. Inverzno ili nepropusno polarizirani PN spoj nastaje kad se P dio PN spoja spoji s negativnim polom izvora. Napon izvora i napon ekvivalentnog PN spoja djeluju u istom smjeru. Posljedica je da će se glavni nositelji naboja koncentrirati dalje od PN spoja, tako da oni neće stvarati struju kroz PN spoj. Kroz graničnu plohu kreću se samo manjinski ili sporedni nositelji naboja i to elektroni iz P područja i šupljine iz N područja. Tako nastala struja naziva se inverznom strujom. Struja koju gomilaju manjinski nositelji naboja naziva se inverzna struja zasićenja.

POLUVODIČKA DIODA

Ispravljači od germanija i silicija - kristalne diode (poluvodičke diode) nastaju spajanjem dva tipa poluvodiča, N i P tipa, unutar istog kristala. Tako nastaje PN spoj. Na graničnoj plohi dolazi do izrazitog skoka potencijala. Visina potencijalne barijere može se mijenjati vanjskim naponom koji je narinut na kristalnu diodu. Ovisno o polaritetu narinutog napona može se povećati ili smanjiti potencijalna barijera, odnosno može se povećati ili smanjiti prijelazni otpor. Zbog toga nastaje ovisnost strujno-naponske karakteristike kristalne diode o polaritetu narinutog napona, odnosno izražen je efekt ispravljanja. Kad je N kraj priključen na negativni, a P kraj na pozitivni napon PN spoj je propusno polariziran i tada je otpor malen, reda veličine . Kad je polaritet suprotan PN spoj je u zapornom stanju, a otpor je reda veličine M. Izrađuju se i za slabe struje, ali i za velike. Germanijeve diode mogu biti i za struje od nekoliko stotina ampera. Kod manjih struja hlade se zrakom, a kod većih struja vodom.

POLUVALNO I PUNOVALNO ISPRAVLJANJE IZMJENIČNE STRUJE

POLUVODIČKI TRANZISTORI Mogu biti: bipolarni i unipolarni. Bipolarni tranzistor nastaje ako se između dva poluvodiča P-tipa (ili dva poluvodiča N-tipa) postavi poluvodič N-tipa (odnosno P tipa kad su sa strana N-tipovi). S tom konfiguracijom, tranzistor je PNP tipa (odnosno NPN). Svaki sloj poluvodiča ima svoj izvod - elektrodu. One se kod bipolarnih tranzistora nazivaju: emiter (E), baza (B) i kolektor (C).

BIPOLARNI TRANZISTORI Tranzistor je dobio ime iz engleskih izraza transfer resistor (prijenosni otpor), jer se u normalnom radu tranzistora javlja tzv. tranzistorski efekt. Karakteriziran je prijenosom otpora. Ako se mjeri struja može se primijetiti da se velika struja iz kruga malog otpora (emiter) prenijela u veliku struju kruga velikog otpora (kolektor). Struja iz baze je malena. Budući da u krugovima malog i velikog otpora teku jednake struje, znači da će (ako se uključi prikladne radne otpore) promjene struje s pomoću malih napona u E-B krugu davati u krugu B-C na većim radnim otporima veće promjene napona, te će se tako dobiti pojačanje napona. Samim tim dolazi i do promjene snage. Prvi tranzistori bili su točkasti. To su klasični bipolarni tranzistori (NPN ili PNP tipa). U niskofrekvencijskoj tehnici upotrebljavaju se slojni tranzistori, a u visokofrekvencijskoj razlikuju se: drift, mesa, planarni, epitaksijalni, planarnoepitaksijalni, itd. S obzirom na opteretivost, tranzistori se dijele na naponska pojačala i učinske tranzistore (pojačala snage).

TRANZISTORI • Upravljačko svojstvo jedno je od glavnih svojstava tranzistora. Ono omogućuje upravljanje velikim snagama, strujama i naponima u izlaznom krugu s malom snagom, strujom i naponom na ulazu. • Danas se u praksi primjenjuju integrirani sklopovi. Pod njima se podrazumijevaju kombinacije sastavnih elektroničkih elemenata (mnoštvo tranzistora, dioda, tiristora, termistora, itd. ), smještenih na poluvodičkim materijalima, koji se ne daju razdvojiti, a tvore funkcionalne jedinice. • Osim kao pojačalo, tranzistor se može koristiti kao sklopka. U tom slučaju su bolji tipovi tranzistora s izoliranom upravljačkom elektrodom (veći otpor u zapornom području).

UNIPOLARNI TRANZISTORI Za okidače (triggere) se upotrebljavaju unijunction tranzistori (UJT). Sve se češće upotrebljavaju FET (Field Effect Transistor) tranzistori s efektom polja, te MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET). Za MOSFET je karakteristično da su vrata (eng. gate, upravljačka elektroda) izolirana, što daje visoke ulazne otpore, a ovisnost o temperaturi mu je mala. Postoje i fototranzistori, s kojima se može upravljati svjetlom. • Kod bipolarnih tranzistora u radu su prisutni i elektroni i šupljine. Osim bipolarnih, postoje i unipolarni tranzistori (FET). Rade samo s jednom vrstom nosilaca naboja, šupljinama ili elektronima. Na nositelje naboja utječe se (upravlja) s električnim poljem (naponom). Unipolarni tranzistori dijele se na FET-ove sa zapornim slojem (JFET) i na FET-ove u izvedbi (MOS, IG). JFET je skraćeno od junction field effect transistor, IGFET od isolated gate field effect transistor (FET s izoliranim vratima).

UNIPOLARNI TRANZISTORI Kod FET-ova elektrode su: source (izvor, S), gate (vrata ili zasun, G) i drain (odvod, D). Na nositelje naboja utječe se preko polja koje stvara upravljačka elektroda, a koji se kreću od izvora do odvoda. Poluvodički sloj kroz koji prolaze ovi nositelji naziva se kanal. Ovisno o tome kakvi su nositelji, tranzistori s efektom polja mogu biti P-kanalni (nositelji električne struje su šupljine) i N-kanalni (nositelji električne struje su elektroni). N-kanalni FET