ELEKTROTEHNIČKI MATERIJALI

1. ELEKTROTEHNIČKI MATERIJALI UVOD U VJEŽBE

2. ELEKTRIČNI KRUG Električni krug (mreža) je niz elemenata međusobno povezanih tako da krugom može teći električna struja. Uvijek treba paziti da se pri kombinaciji tih elemenata ne stvori neki nepoželjni učinak (npr. galvanska korozija) i da su materijali kompatibilni te ih se može povezati u cjelinu. Elementi strujnog kruga mogu imati: - dva priključka (dvopoli), - tri priključka (tropoli), - četiri priključka (četveropoli) i - više priključaka (peteropoli, ..., višepoli).

3. ELEKTRIČNI KRUG Najčešći dvopoli su: - otpornik (stalni, promjenjivi mogu imati i treći izvod), - kondenzator, - svitak, - naponski izvor i • strujni izvor. Najčešći tropoli (a ponekad i višepoli, ovisno o izvedbi) su: - naponsko upravljani naponski izvor, - strujno upravljani naponski izvor, - naponsko upravljani strujni izvor i - strujno upravljani strujni izvor.

4. ELEKTRIČNI KRUG Ovi elementi nisu u doslovnom smislu izvori električne energije, jer moraju imati makar baterijsko istosmjerno napajanje. Kod njih npr. kontroler upravlja i daje napon iz čipa (naponsko upravljani naponski izvor) koji kontrolira izlazni napon. Poznatiji četveropoli su: - kabeli, - krugovi za prilagođenje, - transformatori, - neki električni strojevi, - neki elektronički elementi s četiri izvoda te neki, poput tranzistora, kod kojih se umjetno stvara četvri izvod (uzemljenje i na ulazu i na izlazu).

5. ELEKTRIČNI KRUG Po zakonu o očuvanju energije najmanje jedan element kruga mora biti izvor energije. Električne krugove može se podijeliti na više načina: - na nelinearne i linearne, - na aktivne i pasivne, - na vremenski promjenjive i vremenski nepromjenjive, - na krugove s koncentriranim i s raspodjeljenim parametrima. U stvarnosti sve podjele nemaju jasne granice. Tako npr. kabel ima raspodjeljene parametre (otpornost, induktivitet i kapacitet). Magnetska jezgra ima također raspodjeljenje parametre.

6. ELEKTRIČNI KRUG Međutim, u proračunima se smatra da vodiči ili nemaju otpora (idealni) ili su im sva svojstva koncentrirana na jednom mjestu (1 otpornik). To pojednostavljuje proračun, a bitno ne utječe na temeljnje zakonitosti. Međutim, npr. otpor kabela nije stalan u vremenu, iako se često uzima da jest. Zbog raznih vanjskih utjecaja, parametri se s vremenom mijenjaju. To se naziva degradacijom materijala. Ti su parametri ovisni i o vanjskim utjecajima, poput vlage ili temperature. Na svakom vodiču se induciraju vanjska elektromagnetska polja pa je svaki vodič i izvor elektromotornog napona (bez obzira što je parazitan). Stoga su sve gornje podjele samo uvjetne i vrijede u ograničenim uvjetima.

7. ELEKTRIČNI KRUG Nelinearan je svaki krug koji sadrži barem jedan nelinearni element (npr. diodu). Kako u praksi ništa nije idealno, pa čak ni otpornik zbog temperaturne ovisnosti nije linearan. U inženjerskoj praksi može se aproksimirati ogroman dio standardnih komponenti te ih se može smatrati linearnim. Krug je aktivan ako makar jedan element unosi dodatnu energiju u krug. Aktivni elementi kruga najčešće služe za pojačanje transformacije ili nekog drugog dijela obradbe korisnog signala. Pasivne komponente mogu jedino smanjiti cijeli ili samo određeni dio neke struje ili napona.

8. ELEKTRIČNI KRUG Pasivne komponente se upotrebljavaju zajedno s aktivnima čineći kompaktnu cjelinu. Aktivne komponente su uglavnom temeljene na poluvodičima (osim elektroničkih cijevi), dijele se na razne tipove dioda, tranzistora, integriranih krugova itd. Pasivne komponente su: otpornici, kondenzatori, zavojnice. Vremenski promjenjiv krug je onaj kojemu makar jedan element kruga ima karakteristike ovisne o vremenu. Ovo je također relativna podjela. Naime, svi materijali stare, a samim tim i mijenjaju karakteristike. Stoga su vremenski nepromjenjivi oni kojima se elementi ne mijenjaju u praksi, npr. baterijska lampa za minutu rada neće značajnije promijeniti karakteristike niti će se pri slaboj struji otporniku bitnije promijeniti otpor u nekoliko sekunda ili minuta.

9. ELEKTRIČNI KRUG Stoga se u tom vremenskom opsegu, opsegu praktične primjene, mogu smatrati vremenski nepromjenjivim elementima. Krugovi s koncentriranim parametrima imaju karakteristike koncentrirane u jednom diskretnom dijelu kruga (npr. otpor u tijelu otpornika). Međutim, ako žice nisu idealne, a u praksi nisu, susreće se s raspodjeljenim parametrima. Tipičan primjer je dalekovod. Žice imaju otpor (a to znači i gubitke) koji ovisi o njihovoj duljini, npr. 1 /km znači da na svaki kilometar duljine vodiča treba dodati 1  električnog otpora.

10. ELEKTRIČNI KRUG Taj problem se rješava analizom mreže kao četveropola ili tako da se zamisli da je čitav otpor voda ili njegovog dijela koncentriran u jednom otporniku, a da su žice idealne. Prilikom stvaranja proizvoda treba voditi računa o izboru elektrotehničkih komponenti. Treba paziti na: • vrijednosti dobivene postupcima projektiranja, • norme i standarde, ovisno o primjeni, • dostupnost komponenti i materijala, • fizikalna svojstva i • cijenu.

11. Fizikalna svojstva – primjer temperature taljenja

12. Joule-ov modul elastičnosti različitih tipova stakla

13. Indeks loma polimera

14. Neka toplinska svojstva lijevanog željeza

15. Istezanje polimera kod pregiba

16. OTPORNICI Otpornik je element električnog kruga koji ima određeni električni otpor pod navedenim uvjetima. Međutim, čak niti jednostavan element kao otpornik nema jednaka svojstva u bilo kojim uvjetima neograničeno vrijeme. Da bi se opisalo kako se s vremenom mijenja otpor koristi se pojam vremenske stabilnosti. Stupanj do kojeg se održava električni otpor uz navedene uvjete uporabe tijekom navedenog vremenskog perioda naziva se vremenskom stabilnošću. Obično se izražava kao postotna (ili dio po milionu) promjena u električnom otporu na 1000 sati neprekidne uporabe.

17. OTPORNICI Otpor ovisi o: • naponu, • struji, • temperaturi, • vlažnosti, itd. Osim vremenske stabilnosti, jako je važan podatak temperaturni koeficijent otpora (engl. temperature coefficient of resistance). Temperaturni koeficijent otpora izražava se s: TCR= ppm/C brzina promjene otpora po temperaturi

18. OTPORNICI Iako se s TCR izražava temperaturna ovisnost otpornika, brojčano ne odgovara  i predstavlja osjetljivost izraza za otpor u kojem se nalazi i . To se vidi i iz jedinice ppm/C[1]. Vrste otpornika: • stalni, • promjenjivi i • nelinearni. [1]Jedinica ppm (engl. parts per million u tehnici i pars per million u kemiji) označava osjetljivost u djelovima manjim od postotaka po jedinici. U ovom slučaju 1 ppm/C znači da se otpor promjeni za jedan dio miliona po svakom C temperature na kojem se nalazi.

19. Stalni otpornici Stalni otpornici se, prema tehnologiji izrade, mogu podijeliti na: žičane otpornike, koji se izrađuju od žica na temelju slitina bakar-nikal ili nikal-krom, su tijela oblika keramičkog štapića ili cijevi, koja je nosač žice. Na krajevima se izvode ušice ili izvodi. Izrađuju se za vrijednosti otpora 1  - 100 k. Temperatura površine može biti oko 300 C ili oko 450 C uz posebnu glazuru. Karakteristike su im mali šum i velika induktivnost, ako nisu posebno namotani; ugljično kompozitne otpornike, koji izgledaju kao štapići, a napravljeni su od ugljičnog praha i organskog veziva, na površini im je izolacijski sloj, a izvode se na krajevima otpornog tijela. Promjera su 2 - 5 mm. Tipične su tolerancije  20%. Tipični TCR je u rasponu od -500 do -2000 ppm/C. Ima dobar impulsni odziv. U praksi se zamjenjuju sa (slojnim) film otpornicima;

20. Stalni otpornici film (slojne) otpornike, koji su keramička tijela cilindričnog oblika, pokrivena s filmom otpornog materijala. Izvodi se zavaruju. Napravljeni su od spiralnog žlijeba koji se uvezuje brušenjem ili laserom. Izolacija i zaštita izvode se organskom presvlakom. Film se može sastojati od ugljika, metala, cermeta ili površinsko postavljenih elemenata[1]. Otpornici s ugljičnim filmom su za opću primjenu. Nastaju taloženjem ugljikovodika na štapić u odsustvu kisika. Otpornost materijala jako varira ovisno o omjeru amorfnog ugljika i onečišćenja u filmu. Izrađuju se za iznose otpora od 1  do 10 M, TCR od -400 ppm/C do -2000 ppm/C te snagu disipacije oko 0,25 W. Duljine su oko 3 mm, promjera 1,3 mm. Upotreba većih otpornika ovakovog tipa sa snagom disipacije do 2W je zanemariva. Otpornici s metalnim filmom primjenjuju se za male vrijednosti otpora, a film se izrađuje od kombinacije spojeva nikla i fosfora. TCR im je manji od  50 ppm/C. Većina slitina za manje vrijednosti otpora izrađena je od nikal-kroma ili bakar-nikla, a za veće vrijednosti otpora koriste se silikati.

21. Stalni otpornici Za otpornike s velikim snagama disipacije koriste se posebne slitine ili metal-oksidni film, karakteristika TCR < 200 ppm/C, dobre stabilnosti dok se ne prijeđe temperatura oko 175 C (300 C za neke posebne slitine) i tolerancija  5%. Cermet ili metalna glazura je kompozitni keramički materijal. Velike vrijednosti je otpora i podnosi velike narinute napone. Područje otpora je od 100 k do 100 M, TCR je  200 ppm/C, ali je moguće uz posebnu narudžbu izraditi i bolje, od  25 ppm/C. Karakteristika im je dobra stabilnost i mali šum. Površinsko postavljeni elementi nastaju kad se na supstrat (pravokutni komad keramike, obično alumijskog oksida) postavi kontakt taloženjem duž dva ruba. Otporni film postavlja se iznad i između kontakata tehnikom debelog filma. Otpornik se dobija laserskim podešavanjem. Zaštitni se sloj postavlja iznad otpornog filma. Standardni SMD otpornici imaju tolerancije  5%, TCR 200 ppm/C (moguće  1% TCR  50 ppm/C). U tehnici tankog i debelog filma na keramičkom ili staklenom supstratu mogu se izrađivati i otporničke mreže. Otpornici mogu biti i izrađeni planarnom tehnologijom u integriranim strujnim krugovima.

22. Različiti slojni otpornici

23. Promjenjivi otpornici Za izbor promjenjivih otpornika najbitinije karakteristike su strujno- naponska karakteristika i ovisnost otpora o temperaturi. Dijele se na otpornike s pozitivnim (PTC) i s negativnim temperaturnim koeficijentom (NTC) te na naponsko ovisne otpornike. NTC i PTC su tzv. termistori. Naponski ovisni otpornici (VDR) ili varistori su otponici kojima važnu ulogu ima naponskog radno područje. Otpornik kojemu se otpor mijenja s osvijetljenjem naziva se foto-otpornik.

24. KONDENZATORI Kondenzator je element električnog kruga čije je dominantno svojstvo kapacitet. Kondenzatori čuvaju električnu energiju i blokiraju protok istosmjerne struje, dok propuštaju izmjeničnu struju. Obično se razvrstavaju prema dielektriku: zračni, papirni, keramički, stakleni teflonski, polistirenski, itd. Također mogu biti fiksni i promjenjivi.

25. KONDENZATORI – NAPOMENA O r Relativna dielektrična konstanta nije konstanta, nego ovisi o mnogim čimbenicima. Ovdje je ilustrirana ovisnost o čistoći materijala, temperaturi i frekvenciji. Relaksacija zbog prelaska iz dipolne u ionsku polarizaciju

26. KONDENZATORI Kondenzatori se prema primjeni dijele na: • kondenzatore s malim gubicima i velikom stabilnošću kapaciteta i • kondenzatori sa srednjim gubicima i srednjom stabilnošću kapaciteta. U prvu skupinu spadaju kondenzatori napravljeni od mike, stakla, keramika s malim r, plastičnog filma s malim gubicima (polipropilen, poliester). Služe za kritične primjene kao precizni kondenzatori (npr. aktivni i pasivni telekomunikacijski filtri). Kondenzatori sa srednjim gubicima i srednjom stabilnošću kapaciteta izrađuju se od papira impregniranog uljem ili voskom, plastičnog filma, keramika sa srednjim i velikim r. Služe za opću primjenu i u istosmjernim i u izmjeničnim krugovima, kao što su sprega, premošćivanje, filtriranje, pokretanje rotora, itd.

27. KONDENZATORI Bitni parametri i karakteristike kondenzatora o kojima treba voditi računa su: • kapacitet, • maksimalna snaga, • temperaturni koeficijent kapaciteta, • otpor izolacije i • probojni napon.

28. Osnovna primjena pojedinih vrsta kondenzatora

29. KONDENZATORI Dozvoljeni maksimalni napon (u biti, probojni napon je odmah iznad) je obično napisan na tijelu kondenzatora, ispod oznake za kapacitet. Dozvoljeni radni napon mora biti veći od najvećeg napona koji se može u normalnim slučajevima pojaviti u strujnom krugu (obično napona napajanja uređaja). Posljedica svojstva da kondenzator skladišti električnu energiju (tj. naboj), je ta da kondenzatori mogu biti naelektrizirani dugo vremena nakon što je napajanje isključeno. To može biti opasno. Veliki elektrolitski kondenzatori napunjeni pod naponom od 5 do 10 V mogu se isprazniti spajanjem krajeva kondenzatora odvijačem.

30. KONDENZATORI Kondenzatori koji su priključeni na visoki napon napunjeni su velikim količinama elektriciteta. Ove kondenzatore treba pažljivo prazniti s pomoću otpornika odgovarajuće otpornosti prislonjenog između priključnih krajeva kondenzatora. Kondnzator treba zamjeniti drugim istih karakterističnih veličina i istog tipa. Ako se ne može nabaviti identičan, u većini slučajeva zamjena kondenzatora kondenzatorom čiji je kapacitet 10% ili 100% veći neće doći do oštećenja, ali strujni krug možda neće raditi onako kako se očekuje. Kod vremenskih krugova povećanjem vrijednosti kapaciteta kondenzatora povećat će se vremenski period.

31. Izgled nekih tipova kondenzatora

32. POLUVODIČKI KOMPONENTE (ELEMENTI) Poluvodički elementi koji obavljaju neku funkciju imaju kombinaciju P- i N-tipa istog poluvodičkog materijala koji su kemijski spojeni. Takva kombinacija naziva se diodom. Diode predstavljaju PN spoj u prikladnom kućištu s metalnim izvodima. Jedan kraj diode se naziva anoda, a drugi katoda. Rad diode temelji se na provođenju poluvodiča. Može biti izravno i inverzno polarizirana. Dioda je izravno polarizirana kada je napon na anodi višeg potencijala od napona na katodi.

33. POLUVODIČKI KOMPONENTE (ELEMENTI) Dioda je inverzno polarizirana kada katoda ima viši potencijal i tada je otpor diode vrlo velike, ali konačne, vrijednosti. Karakteristike diode su: • mali pad napona u propusnom smjeru, • vrlo mala zaporna struja, • visoki probojni napon, • velika dopuštena gustoća struje u propusnom smjeru. Uočeno je da, kao materijal za izradu, silicij ima prednosti u odnosu na germanij, a to su: sposobnost rada na višim temperaturama i vrlo mala zaporna struja.

34. POLUVODIČKE KOMPONENTE Diode se izrađuju od germanija ili silicija. Silicij ima prednosti u odnosu na germanij, a najznačajnije su: sposobnost rada na višim temperaturama i vrlo mala zaporna struja. Napon praga za silicijeve diode kreće se od 0,4 – 0,9 V (germanijske 0,2 – 0,5 V), a nazivni napon kod nazivne struje iznosi od 1 – 1,4 V. Gornja granica propusne struje današnjih komercijalnih silicijevih dioda iznosi od 1 – 1,5 kA. Gornja granica probojnog napona kod visoko naponskih silicijevih dioda iznosi do 5 kV. Prema namjeni diode se dijele na: slojne, točkaste, Zenerove, kapacitivne, tunelske, luminascentne i foto diode. Iako su prvo proizvedene germanijske diode, nekoliko čimbenika daje prednost silicijskim: lakše se obrađuju, niže su cijene, bolje podnose više energije, stabilnije temperaturne karakteristike, i dr.Germanijske diode su bolje za otkrivanje i ispravljanje slabih signala zbog nižeg napona praga.

35. POLUVODIČKE KOMPONENTE (ELEMENTI) Tranzistori su troslojni poluvodički elementi s tri elektrode koje se nazivaju: emiter (E), baza (B) i kolektor (C). Načelo rada objasnio je Shockley 1949. godine. Ime tranzistor potječe od riječi transfer resistor što objašnjava njegovu funkciju da pri maloj promjeni struje baze dolazi do velike promjene struje kolektora. To znači da u tranzistoru teče vrlo mala struja, a da se na njegovom izlazu dobiva signal istog oblika, ali mnogo veće vrijednosti. Postoje PNP i NPN tranzistori, a bitno im je prisustvo obaju tipova nosilaca, elektrona i šupljina te se ovi tranzistori nazivaju bipolarnim tranzistorima. Postoje također i tranzistori kod kojih je uloga manjinskih nosilaca bez značaja za njihov rad, a nazivaju se unipolarnim tranzistorima. Širu primjenu imaju NPN tranzistori zbog veće brzine rada i veće pogonske temperature. Brzina rada je veća zbog toga što su elektroni pokretljiviji od šupljina. Danas se koristi silicij, jer ima veću pogonsku temperaturu od germanija.

36. POLUVODIČKE KOMPONENTE Tranzistora služe kao pojačala malih signala i pojačala snage (NF, VF ili sklopna). Osnovna svrha tranzistora je da sluzi kao pojačalo signala. Rad tranzistora zasniva se na tri osnovne činjenice: injekciji manjinskih nositelja, što obavlja propusno polarizirani emiter, transportu tih nositelja kroz bazu i na njihovu skupljanju u kolektoru. Za rad PNP i NPN tranzistora bitno je prisustvo oba tipa nositelja, elektrona i šupljina, te se ovi tranzistori nazivaju bipolarnima. Postoje i tranzistori kod kojih je uloga manjinskih nositelja bez značaja za njihov rad. Takvi tranzistori nazivaju se unipolarnima, a njihove elektrode se nazivaju: izvor (S), vrata (G) i ponor (D)[1]. S obzirom na zajedničku elektrodu tranzistora za ulazni i izlazni krug (zajednička masa) postoje: spoj tranzistora s zajedničkom bazom, spoj tranzistora s zajedničkim emiterom, spoj tranzistora s zajedničkim kolektorom i kaskadni spoj ili darlingtonov spoj.

37. POLUVODIČKE KOMPONENTE Karakteristike tranzistora mogu se podijeliti u dvije grupe: • statičke karakteristike i • dinamičke karakteristike. Režimi rada tranzistora su: • područje blokiranja, • normalno aktivno područje i • zasićenje. Tiristori su poluvodički elementi s četiri naizmjenice spojena sloja P- i N-tipa poluvodiča. Prvi i zadnji su obavezno spojeni s izvodima, ali izvoda može biti i više. Struja teče samo smjerom od anode prema katodi. Tiristor provede nakon što se na njegovu nožicu vrata (engl.gate) dovede strujni impuls.

38. POLUVODIČKE KOMPONENTE Da bi se to ostvarilo vrata moraju dobiti ispravan slijed impulsa odnosno kraj njega mora djelovati pobudni uređaj. Tiristori najčešće rade kao sklopke i kao ispravljači. Koriste se u uređajima za regulaciju pretvaranja električne energije iz jednog oblika u drugi. Najčešće se koristi za pretvaranje izmjenične struje u drugu izmjeničnu struju s različitom frekvencijom i različitom efektivnom vrijednošću. U novije vrijeme energetske komponente tiristora mogu podnijeti 1000 A uz probojni napon do 2 kV. Pad napona na tiristoru pri vođenju je od 1 – 2 V, a temperaturna upotreba od – 40 do 120 C. Tiristori su relativno malih dimenzija u odnosu na uređaje za sličnu primjenu. Tiristorima se može ostvariti veliko pojačanje snage (200 kW uz napon 1 kV i struju 500 A).

39. POLUVODIČKE KOMPONENTE Tiristor ima mali toplinski kapacitet i ne može izdržati preopterećenja. U radu se zastičuju brzim osiguračima i serijskom impedancijom. Temperaturno su osjetljivi i osjetljivi na smetnje. Vrijeme preklapanja tiristora reda je 1 ms, a to je puno kraće od mehaničkih releja. Integrirani krugovi su skup povezanih poluvodičkih komponenti u jako malom kućištu, a predstavljaju ekvivalentni elektronički krug. Na kučištu se izvode stezaljke preko kojih su ulazi i izlazi izintegriranih krugova povezani s ostalim sklopovima. Svaka stezaljaka označena je brojem koji označava njezin smještaj na integriranom krugu.

40. POLUVODIČKE KOMPONENTE Podjela prema vrsti signala je na digitalne i analogne integrirane krugove. Analogni rade s kontinuiranim promjenjivim signalima, dok digitalni rade s vremenski i amplitudno diskretnim signalima. Imaju od 8 do oko 500 izvoda. Integrirani krug sastoji se od poluvodičkog materijala u kojem su utisnute elektroničke komponente, a smješten je u plastično ili keramičko kućište. Sa kućišta se izvode stezaljke preko kojih su ulazi i izlazi iz integriranih krugova povezani s ostalim sklopovima. Sve ove komponente mogu se koristiti u nekom konačnom proizvodu koji mora zadovoljavati i funkcijske, ali i ekonomske zahtjeve.