Elektroniikka?

1. Elektroniikka? Elektroniikka on sähkön käsittelemistä sen hienojakoisimmassa muodossa: – varauksina – bitteinä – signaaleina ja viesteinä – sähkömagneettisena säteilynä – tehoina Linkki: http://koti.mbnet.fi/huhtama/ele/

2. Elektroniikka? Elektroniikka (Electronics) tutkii sähkön liikkumista tyhjiössä, kaasussa ja puolijohteissa sekä tähän ilmiöön liittyviä sovelluksia > Elektroniikka on oppia elektronien liikkeestä Sähkötekniikka (Electrical) on yleisempi termi sulkien sisäänsä kaikki sähkön mahdollistavat liikkumisväliaineet, eritoten metallit. Nykyään kylläkin myös elektroniikka tutkii sähkön johtumista metalleissa ja niihin liittyvissä sovelluksissa. Rajaus tehdäänkin nykyään usein sovelluskohtaisesti. Elektroniikkaan katsotaan kuuluvan mm seuraavat asiat: Elektroniikan komponentit, tietokoneet, säätölaitteet ja tietoliikennetekniikka. Lähde: ttp://www.ele.tut.fi/teaching/7401003/aputieto.pdf

3. Elektroniikan komponentit Komponentit ovat elektroniikkapiirien perusrakenneosia. Kaikki elektroniset kytkennät koostuvat vaihtelevasta määrästä toisiinsa liitetyistä komponenteista, jotka muodostavat toimivan virtapiirin. Komponentit voidaan ryhmitellä seuraavasti: • sähkömekaaniset komponentit • passiiviset komponentit • sähkömagneettiset komponentit • näyttökomponentit eli optiset komponentit • aktiiviset komponentit • tehoelektroniikan komponentit

4. Sähkömekaaniset komponentit Sähkömekaaniset komponentit eivät vaikuta (eivät saisi vaikuttaa!!) kytkennässä esiintyvien signaalien kulkuun kytkintä tms. lukuun ottamatta. Kytkimen lisäksi yleisiä sähkömekaanisia komponentteja ovat mm. sulakkeet ja liittimet

5. Passiiviset komponentit Passiivisilla komponenteilla ei voida vahvistaa signaalia, vaan ne päinvastoin aiheuttavat vaimennusta. Kytkennöissä tarvitaan välttämättä myös passiivisia komponentteja. Tavallisimpia passiivisia komponentteja ovat vastukset, kelat ja kondensaattorit.

6. Sähkömagneettiset komponentit Sähkömagneettisia komponentteja ovat mm. mikrofonit, kaiuttimet, muuntajat ja rele. Muuntajan tehtävä on vaihtojännitteen muuntaminen sopivalle tasolle ja releen voidaan ajatella olevan sähköllä ohjattava kytkin. Muuntajia Releitä

7. Näyttökomponentit eli optiset komponentit Näyttökomponentti välittää tietoa valona. Tieto voi olla merkkilampun On/Off-tyyppistä informaatiota, taskulaskimen LCD-näytön numeroita tai tietokoneen näyttö. Tyypillisiä elektroniikan näyttökomponentteja ovat ledit ja niistä rakennetut sovellukset (7-seg) sekä LCD-näytöt.

8. Aktiiviset komponentit Signaaleja voidaan vahvistaa vain aktiivisilla komponenteilla. Vahvistuksen vaatima lisäenergia saadaan teholähteestä. Tärkein aktiivinen komponentti on transistori.

9. Tehoelektroniikan komponentit Elektroniikan avulla ohjattavat signaalit ovat tyypillisesti pienitehoisia. Suurien tehojen ohjaamiseen käytetään kuitenkin myös elektroniikkaa. Tärkeimpiä tehoelektroniikan komponentteja ovat GTO- ja IGBT-transistorit sekä diacit, triacit ja tyristorit.

10. Käsitteitä Erilliskomponentti Erilliskomponentin (Discrete component) kotelo sisältää vain yhden komponentin, esimerkiksi transistorin, diodin tai kondensaattorin. Mikropiiri, IC-piiri Mikropiirit (Microcircuits) eli IC-piirit (Integrated circuit) ovat yhteisen kotelon sisään suljettuja ja yhtenä kokonaisuutena käsiteltäviä komponentteja. Ne muodostavat toimivan virtapiirikokonaisuuden, joka sisältää jopa miljoonia transistoreja, diodeja vastuksia ynm. komponentteja. IC-piirit jaetaan analogisiin ja digitaalisiin mikropiireihin.

11. Mikropiiri IC-piirit tehdään piistä (piioksidi, SiO2)

12. Komponenttien tunnukset Komponentit merkitään piirikaavioissa seuraavilla IEC-tunnuksilla. (International Electronical Comission)

13. Sähkönjohtavuus Materiaalin sähkönjohtavuuden perusteella aineet voidaan jakaa johteisiin, puolijohteisiin ja eristeisiin. Atomitasolla sähkövirran (elektronivirtauksen) aikaansaaminen aineessa on riippuvainen siinä esiintyvistä vapaista elektroneista, ts. elektroneista, jotka eivät ole sitoutuneet valenssivyöhön. Tällaisten elektronien energia on johtavuusvyöllä. Jos johtavuusvyö liittyy välittömästi valenssivyöhön - kuten metalleilla - on kyseessä johde. Eristeessä valenssivyön ja johtavuusvyön välissä on leveä kielletty energia-alue, välivyö.

14. Sähkönjohtavuus

15. Sähkönjohtavuus Atomin ylintä energiatasoa kutsutaan johtavuusvyöksi, jos se ei ole täysinäinen. Valenssivyö on atomin täysinäinen energiataso johtavuusvyön alapuolella. Materiaalin sähkönjohtavuuskykyyn  vaikuttava atomin  valenssivyön  ja johtavuusvyön  välissä oleva energiarako. Materiaalin johtavuutta voidaan parantaa siirtämällä elektroneja  valenssivyöltä varauksen kuljettajaksi johtavuusvyölle. Metalleilla ei tällaista rakoa ole, sillä niiden johtavuusvyöllä on aina jonkin verran varauksenkuljettajaelektroneja, joten metallit  johtavat aina sähköä. Puolijohteilla tämä rako on pieni ja lämpötilan kasvattaminen parantaa materiaalin johtamiskykyä siirtämällä suurempi määrä elektroneja johtavuusvyölle varauksenkuljettajiksi. Eristeillä  tämä energiarako on niin suuri, että lämmön nostaminenkaan ei riitä siirtämään elektroneja johtavuusvyölle.

16. Sähkönjohtavuus Piiatomi

17. Puolijohteet Puolijohteilla kielletty vyö on suhteellisen kapea eli ulkopuolista energiaa ei tarvita paljoa puolijohteen saamiseksi johtavaksi. Johtavuuselektronien syntymiseksi tarvittava lisäenergia saadaan esimerkiksi lämpötilaa kohottamalla. Normaaliolosuhteissa (~300 K) aineeseen on tullut lisäenergiaa ja johtavuuselektroneja esiintyy. Tärkeimmät puolijohteet ovat pii (Si), galliumarsenidi (GaAs) ja germanium (Ge). Näistä pii on elektroniikan eniten käytetty materiaali. Puolijohdepiin raaka-aineena on kvartsihiekka, joka selittää piin suosiota puolijohdemateriaalina Puolijohteet muodostavat kiteitä, joissa atomien välillä on kovalenttinen sidos. Esimerkiksi piillä on 14 elektronia, joista 4 on valenssielektroneja. Näiden neljän elektronin avulla piiatomit kiinnittyvät neljään viereiseen piiatomiin kovalentilla sidoksella. Hyvin matalassa lämpötilassa kaikki elektronit ovat sitoutuneet rakenteeseen, mutta lämpötilan kohottaminen riittää rikkomaan osan sidoksista ja vapaita elektroneja pääsee muodostumaan ja siirtymään johtavuusvyölle.

18. Puolijohteet (a) Matalassa lämpötilassa kaikki elektronit pysyvät kovalenttisissa sidoksissa. (b) Korkeammassa lämpötilassa jotkut elektronit ovat irronneet valenssivöiltä ja siirtyneet johtavuusvyölle.

19. Puolijohteet Normaalilämpötiloissa jotkut elektronit saavat välivyön ylitykseen tarvittavan energialisäyksen ja siirtyvät johtavuusvyölle. Tällöin syntyy kahta tyyppiä liikkuvia varauksia: johtavuuselektroneja ja johtavuusaukkoja. Johtavuusaukolla tarkoitetaan johtavuuselektronin jättämää tyhjää paikkaa kovalenttisessa sidoksessa. Tällainen aukko voi siepata naapuriatomiltaan elektronin, jolloin aukko siirtyy naapuriatomiin. Puolijohteessa tapahtuu aukkojen ja elektronien rekombinaatiota (uudelleen yhtyminen)

20. Puolijohteet, käsitteitä Itseispuolijohde Puhdasta puolijohdetta (jossa ei siis ole muita atomeita) kutsutaan itseispuolijohteeksi tai intrinsiikkiseksi puolijohteeksi. Näillä ei ole suurtakaan merkitystä käytäntöä ajatellen. Vasta sopivien seosaineiden käyttö puhtaan puolijohdemateriaalin joukossa tekee puolijohdekomponentit mahdollisiksi. Seostetut eli ekstrinsiittiset puolijohteet Puolijohdekiteissä varausten kuljettajien, joko elektronien tai aukkojen, määrää voidaan huomattavasti lisätä sekoittamalla niihin pieniä määriä sopivia epäpuhtauksia eli seosaineita. Sekoitussuhde on tyypillisesti 1: 106 - 108 , joten kemiallisesti aine on edelleen esim. piitä, vain sähköiset ominaisuudet muuttuvat.

21. n-tyypin puolijohde, Ryhmä V Yhden ryhmän seosaineista muodostavat ne aineet, joiden atomirakenteessa on 5 valenssielektronia (esim. fosfori, arseeni ja antimoni) Asettuessaan kidehilaan niissä on yksi ylimääräinen elektroni. Tällä ylimääräisellä elektronilla on jo huoneenlämmössä niin suuri energia, että se asettuu johtavuusvyölle. Koska epäpuhtauksista saatavat vapaat varaukset, jotka voivat osallistua sähkövirran syntymiseen, ovat elektroneja, kutsutaan tällaista puolijohdetta n-tyyppiseksi. Elektronit ovat siis enemmistökantajia ja aukot vähemmistökantajia. Aukkoja n-aineessa syntyy piin atomeista lämpötilan aineeseen tuoman lisäenergian ansiosta, mutta ne rekombinoituvat vastaavasti syntyneiden elektronien kanssa.

22. n-tyypin puolijohde, Ryhmä V n-tyypin puolijohde. Seosaineena fosfori (P). Kovalenttinen kiderakenne

23. p-tyypin puolijohde, Ryhmä III Toisen ryhmän seosaineita muodostavat ne, joiden atomirakenteessa on 3 valenssielektronia (esim. boori, alumiini, gallium ja indium) Kun nämä asettuvat kidehilaan, jää niiden kohdalle yhden elektronin vajaus, jotta sidos olisi kovalentti. Vierasaineatomi sieppaa helposti ympäristöstä elektronin, jolloin syntyy herkästi liikkuva johtavuusaukko. Koska vapaat varaukset ovat nyt pääosin aukkoja (positiivisia varauksia) kutsutaan tällaista puolijohdetta p-tyyppiseksi. Nyt ovat aukot enemmistökantajia ja elektronit vähemmistökantajia. Elektroneja p-aineessa syntyy piin atomeista lämpötilan aineeseen tuoman lisäenergian ansiosta, mutta ne rekombinoituvat vastaavasti syntyneiden aukkojen kanssa.

24. n-tyypin puolijohde, Ryhmä V p-tyypin puolijohde. Seosaineena boori (B). Kovalenttinen kiderakenne

25. Puolijohteet, käsitteitä Donoriatomi Atomi joka luovuttaa vastaanottajalle elektronin. Puolijohdemateriaalien seostukseen käytetty epäpuhtausatomi, jonka uloimmalla elektronikerroksella on yksi elektroni enemmän kuin itse puolijohdemateriaalin atomilla aikaansaaden puolijohdeatomiin varauksen kuljettamiseen pystyvän vapaan elektronin. Akseptoriatomi Atomi joka vastaanottaa luovuttajalta elektronin. Puolijohdemateriaalien seostukseen käytetty epäpuhtausatomi, jonka uloimmalla elektronikerroksella on yksi elektroni vähemmän kuin itse puolijohdemateriaalin atomilla aikaansaaden puolijohdeatomiin varauksen kuljettamiseen pystyvän elektronivajauksen eli aukon.

26. pn-liitos Puolijohdekomponenttien tärkein rakenneosa on pn-liitos. Tämä saadaan aikaan liittämällä yhteen p-tyyppinen ja n-tyyppinen puolijohde. Liitoksessa tapahtuu seuraavaa: Erilliset p ja n tyypin piit, kummassakin liikkuvia varauksenkuljettajia (p:ssä aukkoja, n:ssä elektroneja). Yhteen liitettynä liitoskohdan välittömässä läheisyydessä olevat varauksenkuljettajat liikkuvat rajapinnan yli kumoten toisensa (rekombinoituvat). Siirtyminen tapahtuu koska erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Syntyy tyhjennysalue, jossa ei ole enemmistövarauksenkuljettajia, ainoastaan lämpötilan aikaansaamia aukkoja ja elektroneja, jotka rekombinoituvat saman tien. (Jännitteettömänä alueen leveys on noin 5 µm)

27. pn-liitos Olennainen ominaisuus pn-liitoksella on sen tasasuuntaava vaikutus:Virta pääsee kulkemaan pn-liitoksen yli vain toiseen suuntaan. pn-liitos on estosuuntainen kun negatiivinen jännite on kytketty p-alueelle ja positiivinen n-alueelle. Sähkölähteen + navassa on elektronialijäämä jonka voidaan ajatella ”vetävän” n-aineen elektroneja puoleensa. Samoin käy myös –navan kanssa. >>> Tyhjennysalue levenee. pn-liitos on myötäsuuntainen kun positiivinen jännite on kytketty p-alueelle, negatiivinen jännite n-alueelle ja lisäksijännitteen on oltava suurempi kuin pn-liitoksen kynnysjännite: piillä n. 0,7 V, germaniumilla n. 0,3 V Tyhjennysalue on kapea.

28. Diodi Yleisin pn-rajapinnan sovellus on diodi. Diodi tasasuuntaa eli laskee virtaa lävitseen vain toiseen suuntaa. Diodin yleisin käyttökohde onkin vaihtosähkön tasasuuntaaminen. Diodi koostuu p- ja n-materiaaleista, joilla on yhteinen rajapinta. p-materiaaliin kiinnitettyä elektrodia kutsutaan anodiksi ja n-materiaaliin kiinnittyä elektrodia katodiksi.

29. Diodi

30. Yleistä diodeista... Diodin ominaisuuksiin kuuluu kynnysjännite UF, jonka suuruus vaihtelee jonkin verran riippuen diodin puolijohdemateriaalista. Piillä (Si) se on noin 0.6 - 0.7V ja germaniumilla (Ge) noin 0.2 - 0.3V. Ilman ulkoista jännitettä kynnysjännite estää kaikkien varauksenkuljettajien liikkumisen rajapinnan yli. Myötävirta IF diodin läpi alkaa kulkea vasta sitten, kun myötäesijännitteen suuruus ylittää diodin kynnysjännitteen. Estosuuntaan kytketty diodi ei läpäise virtaa lukuun ottamatta hyvin pientä termisen generaation aiheuttamaa estovirtaa IR lukuun ottamatta. Tämän estovirran suuruus on piidiodilla muutama mikroampeeri ja germaniumdiodillakin alle yhden milliampeerin. Estosuuntaan kytketty diodi muodostaa kondensaattorin, jonka kapasitanssi on riippuvainen estosuuntaan kytketyn jännitteen suuruudesta. Tätä ominaisuutta käytetään hyväksi kapasitanssidiodeissa. Estosuuntaan kytketyn diodin estovirta on hyvin pieni. Jos estojännitettä UR suurennetaan liikaa, tapahtuu diodissa läpilyönti ja se tuhoutuu (ja luultavasti jää oikosulkuun). Myötäsuuntaan kytketyn diodin myötävirta kasvaa kynnysjännitteen jälkeen nopeasti. Jos myötäjännitettä UF suurennetaan liikaa, myötävirta kuumentaa diodia ja se tuhoutuu. P=U*I

31. Diodi tyyppejä 1. Zenerdiodi: Toimintaon estosuuntainen, toiminta diodin läpilyöntialueella. Zenerdiodit on aina kytkettävä estosuuntaan, kun halutaan käyttää niiden vakavointiominaisuutta hyväksi. Käytetään vakiojännitteen muodostamiseen. 2. Kapasitanssidiodi Toiminta on estosuuntainen. Jännitteellä ohjattu kondensaattori, käytetään suurtaajuuslaitteissa, esimerkiksi Ula-vastaanottimissa ja televisioissa. Kun suurennetaan diodin estosuuntaista jännitettä niin diodin kapasitanssi pienenee. 3. Fotodiodi: Toiminta estosuuntainen, käytetään valon ilmaisimena, infrapuna tai näkyvävalo.Diodin estoresistanssi on verrannollinen rajapintaan osuvan fotonivuon voimakkuuteen. 4. Led Toiminta myötäsuuntaan kytkettynä. Säteilee valoa, näkyvävalo tai infrapuna. Valmistetaan tavallisesti galliumarsenidista (GaAs), galiumfosfidista (GaP) tai näiden yhdistelmistä (GaAsP). 5. Schottkydiodi: Toiminta myötäsuuntainen. Erittäin nopea toiminta, ideaalisin diodi. Käytetään pienien häviöiden takia virtalähteissä tasasuuntaajissa ja hakkurivirtalähteissä.

32. Ideaalidiodi Päästää myötäsuunnassa virran esteettä lävitseen, ja estää virran kulun täysin vastakkaisessa eli estosuunnassa. Myötäsuunnassa ihanteellinen diodi vastaa oikosulkua, ja estosuunnassa katkosta. Todelliset puolijohdediodit eivät vastaa täydellistä ihanteellista diodia vaan niissä on häviöitä (kynnysjännite). Ihanteellisen diodin ominaiskäyrä seuraa myötäsuunnassa virta-akselia, ja estosuunnassa jänniteakselia.

33. Todellisen diodin ominaiskäyrä

34. Diodin tärkeimmät sähköiset ominaisuudet UR jatkuva estojännite IR estovirta IF jatkuva myötävirta Ptot kokonaistehohäviö Teho Ptot lämmittää diodia!

35. Eurooppalainen merkintätapa: Esimerkiksi BA100 tai BYX30 Ensimmäinen kirjain kertoo komponentin valmistusmateriaalin ja toinen kirjain käyttötarkoituksen. Jos merkinnässä on kolmaskin kirjain, se osoittaa, että komponentti on tavallista parempilaatuinen eli tarkoitettu vaativiin käyttöolosuhteisiin. Loppuosa kertoo osan tyyppimerkinnän. Jos kirjaimia on kaksi, luku on kolminumeroinen ja jos kirjaimia on kolme, numeroita on vain kaksi. Numerosarjaa saattaa seurata vielä kirjain, joka yksilöi saman komponentin eri versiot.Lopussa saattaa vielä olla väliviiva ja numeroita, joilla ilmoitetaan esimerkiksi suurin sallittu estosuuntainen jännite. esimerkiksi BYX30-200.

36. Amerikkalainen merkintätapa: Esimerkiksi 1N4007 Ensimmäinen numero (1) kertoo komponentin jalkojen lukumäärän -1 eli jos komponentissa on kaksi jalkaa, numero on 1 tai kolmijalkaisessa vastaavasti 2. Seuraava merkki (N) kertoo kyseessä olevan juuri amerikkalaisen merkintätavan ja loppuosa kertoo osan tyyppimerkinnän jonka perusteella ei voi päätellä juurikaan mitään ilman datakirjaa. Diodien tyyppimerkintä voidaan merkitä myös värikoodin avulla. Värit ovat samat kuin vastuksissa. Ensimmäisenä on muita leveämpi raita, joka samalla ilmoittaa katodin puoleisen pään. Esimerkiksi diodissa 1N4148 ovat värirenkaat keltainen-ruskea-keltainen-harmaa.

37. Diodin käyttösovelluksia Laitteen suojaaminen väärältä syöttöjännitteen napaisuudelta.

38. Diodin käyttösovelluksia Paristovarmennuksen järjestäminen passiivikomponenteilla verkkokäyttöiselle laitteelle.

39. Päättele (tai laske) mikä on jännite vastuksen yli. Diodit ovat piidiodeja.

40. Päättele (tai laske) mikä on jännite vastuksen yli. Diodit ovat piidiodeja.

41. Piirrä lähtöjännitteen käyrämuoto samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa. a) b) c)

42. Puoliaaltotasasuuntaus Kuvan kytkentä laskee lävitseen vain syöttöjännitteen positiivisen puolen. Lähtöjännitteen UL huippuarvo: UL = US - UTH US = piirin syöttöjännite UTH = diodin kynnysjännite (pii 0.6 V ja germanium 0.3 V)

43. Kokoaaltotasasuuntaus UL = US - 2UTH

44. Ledi Ledin kirkkaus riippuu sen läpi kulkevasta virrasta. Tyypillinen virta on 20-25mA Etuvastuksen mitoitus:

45. Ledi Katodi Anodi - +

46. Ledi Mitoita etuvastus, kun kaikki ledit ovat punaisia.

47. Ledi Yhden ledin läpi kulkema virta on noin 0.02A:a. Kokonaisvirran voimme laskea Kirchhoffin 1.:n lain avulla: Kirchhoffin toisen lain avulla taas laskemme vastuksen yli vaikuttavan jännitteen: Jatkamme tehon kaavalla: Pienimmät vastukset ovat tehonkestoltaan vain 0.25W:a. Tässä kytkennässä olisi siis valittava vastus, jonka tehonkesto on vähintään 1W.

48. Ledi Mitoita etuvastus, kun ledit on kytketty sarjaan ja ovat eri värisiä. Lähin pienempi vastusarvo on 220W:a. Käytännössä vastusta mitoitettaessa käytetään kynnysjännitettä suurempia arvoja. Esim. Valkoinen ledi loistaa kunnolla vasta kun sen yli vaikuttava jännite on 4V:a. Sarjavastuksen arvoksi kannattaisi todennäköisesti valita 180W:n vastus.

49. Ledi Mitoita etuvastus, kun ledit on kytketty rinnan ja ovat eri värisiä.

50. Ledi Koska ledeillä on eri kynnysjännite, ei niistä pala kuin pienimmän kynnysjännitteen omaava ledi. Ledejä ei voi kytkeä rinnan tällä tavalla! Miten kytkentä tulee tehdä?