Radio klub "Kaštilac"

Deni Milišić i Luka Tičinović

Deni Milišić i Luka Tičinović

SKRIPTA ZA ELEKTRONIKU

UVOD

Energija, električna energija, strujni krug

Pojava svjetlosti, topline, raznih zračenja i sl. nazivamo energijom.

Uz energiju uvjek postoji i izvor energije. Naprimjer, izvor svjetlosti može biti sijalica ili sunce, topline radijator, peć, pegla, bojler itd. Većina stvari u prirodi prima ili odašilje neku vrstu energije.

 Čovjek oduvjek koristi razne izvore energije. Još u davna vremena čovjek je ukrotio životinje i koristio ih za prevoz, oranje zemlje i druge radove koji su za čovjeka mnogo teži. Mnogo kasnije čovjek je iskoristio energiju toka rijeke i vjetar. Nakon toga otkriven je parni stroj i počele su se graditi prve tvornice koje su za prve pojmove koristile ogromne energije. Krajem 19. st i početkom 20. st. u upotrebu dolazi električna energija. Počela je gradnja termo i hidroelektrana, a kasnije i nuklearnih elektrana ogromnih kapaciteta. U današnje vrijeme nemoguće je zamisliti ikakav pogon koji radi bez prisustva električne energije. Ova energija je svakako najrasprostranjenija vrsta energije koja postoji. Pokreće sve, od malog ručnog sata, lampi, računala, pa sve do ogromnih tvornica.

 Za nas je najvažnija električna energija. Pitate se zašto? Zamislite svijet bez električne energije, bez sijalica, telefona, hladnjaka, televizora, radio uređaja, električnih grijalica...

 Drugi razlog je, kako na primjer pretvoriti svjetlost u toplinu, ili kako pretvoriti gibanje rijeke u toplinu ili svjetlost, ili naprimjer opet u gibanje.

Iako se oboje na prvi pogled čini nemogućim, moguće je, ali samo uz prisustvo električne energije.

 Električna energija je jedina(dosad poznata) energija koja se vrlo lako dobiva iz drugih oblika energije, te se isto tako lako pretvara u skoro bilo koji drugi oblik. Tako možemo iz prirodnih oblika energije dobiti električnu energiju, a iz električne energije oblik koji nam treba. Električna energija nije ništa novo u prirodi, munja je jedan oblik prirodne električne energije. Prirodna električna energija je odgovorna čak i za koroziju spoja različitih metala.

2

Rješimo problem od prije. Svjetlost pomoću solarnih ćelija pretvorimo u električnu energiju, te je u električnoj grijalici pretvorimo u toplinu. Solarne ćelije su uređaji koji mogu svjetlost pretvoriti u električnu energiju. Bilo koji uređaj koji pretvara neki oblik energije u električnu energiju zove se izvorom električne energije (struje).

 

U prirodi vrijedi zakon o očuvanju energije koji kaže da se energija ne može ni iz čega stvoriti niti uništiti, može se samo pretvarati iz jednog oblika u drugi. Dakle izvori električne energije ne stvaraju energiju, nego je samo pretvaraju iz drugih oblika. Po tome iz koje energije se dobiva električna, izvore dijelimo u dvije glavne skupine:

-   Mehanički izvori el. energije – pretvaraju mehaničku energiju (energiju gibanja) u električnu.

To su npr:

o       Elektrane (generatori)

         Hidroelektrane

        koriste energiju toka vode i pretvaraju je u el. energiju.

         Termoelektrane

        koriste toplinu dobivenu izgaranjem plina, nafte ili ugljena za dobivanje el. energije

         Nuklearne elektrane

        koriste atomsku energiju za zagrijavanje vodene pare čiji tok pokreće generator i pretvara to gibanje u el. energiju.

o       Agregati

-         Kemijski izvori el. energije – pretvaraju pohranjenu kemijsku energiju u električnu.

3

o       Baterije, članci, akumulatori (koriste elektrolite)

-         Postoje još solarne ćelije, termočlanci, te još mnogi drugi izvor

Glavni izvori električne energije danas su elektrane, i iz njih se dobivaju ogromne količine el. energije koji se razvode po kućanstvima. Hrvatska ima napon el. mreže 220 Volti, dok je u zapadnim zemljama on 110 Volti.

Princip rada termoelektrane:

Kotao zagrijava vodenu paru na visoku temperaturu, i ona velikom brzinom prolazi kroz cijevi i okreće turbinu generatora koji pretvara energiju u električnu a zatim se u kondenzatoru para hladi i vraća u kotao. Isti osnovni princip ima i nuklearna elektrana, samo što ona vodu zagrijava nuklearnim procesom zvanim fisija, odnosno razbijanjem atomskih jezgara. Nuklearne elektrane ne zagađuju atmosferu i imaju vrlo veliki kapacitet, ali stvaraju nuklerani otpad koji je vrlo opasan zbog radioaktivnosti. Također postoji opasnost od kvara unutar takvih elektrana koje

tada mogu postati velike ekološke katastrofe (Černobil, Rusija). No nuklearne elektrane su najsigurnije od svih, i havarije nastaju samo ljudskom pogreškom što je bilo slučaj u Černobilu.

 

 

 

 

 Princip rada hidroelektrane:

Hidroelektrana koristi vodu koja pada kroz cijevi iz akumulacijskog jezera. U cijevima voda ubrzava i okreće turbinu generatora. Za ovu elektranu potreban je vrlo velik protok vode, i vrlo su velike, a ne daju toliko mnogo energije, ali su zato vrlo jeftine, i uopće ne zagađuju okoliš, što se ne može reći za termo i nuklearne elektrane. Postoje još i manje elektrane na vjetar, te polja solarnih ćelija, no te vrste elektrana nisu u široj upotrebi. Najjednostavniji izvori su

4

baterije, i danas se koriste uglavnom u prijenosnim uređajima koji nemaju pristup el. mreži za cijelo vrijeme rada.

Električna energija se može pretvarati u druge oblike jedino unutar strujnog kruga. Strujni krug je bilo koji vodljivi spoj koji u sebi sadrži izvor, vodove i trošilo.

Jednostavan strujni krug:

 

 

 

 

 

 

 

Izvor električne struje preko vodova (vodiča) daje struju trošilu koje ju pretvara u neki drugi oblik energije.

 Kažemo da kroz strujni krug teče električna struja. Električna struja je iskoristivi oblik električne energije.

 Vodičima nazivamo bilo koje tvari koje vode el. struju

vodiči su npr: bakar, aluminij, zlato, srebro, željezo itd.

 Izolatori su tvari koje ne vode el. struju. ( plastika, porculan).

 Elektrolitima zovemo tekučine koje dobro vode struju.

Izvore i trošila, te druge elemente strujnih krugova prikazujemo pomoću simbola:

 

     - Izvori (generator i baterija)

   

5

 

- Trošila (sijalica i otpornik)

   

     - Čvorovi i vodovi

   

Ako struja u strujnom krugu ne tece, kazemo da je strujni krug otvoren.

Elektricnu energiju moguce je koristiti uglavnom u zatvorenim strujnim krugovima, tj u krugovima kroz koje tece struja.

Otvoreni strujni krug:

 

 U ovakvom strujnom krugu sijalica nece svjetliti!!!

Zatvoreni strujni krug :

 

 

 Strujni krug je zatvore, kroz njega može teći struja i sijalica će svijetliti

6

 Električnu struju teško je zamisliti, no najlakše je pomoću predodžbe sa protokom vode :

 

 Struja doduse nije protok vode, nego gibanje malih čestica zvanih elektroni.

 

 

Kroz vodič se moze gibati vrlo mnogo elektrona, a svaki je oko tisuću puta manji od atoma.

Moguće je zamisliti da se elektroni gibaju najprije napred, pa nakon nekog vremena nazad.

Prema toku elektrona, odnosno smjeru struje možemo je podijeliti na istosmjernu i izmjeničnu. Tako isto postoje izvori istosmjerne i izmjenične struje . Izvori istosmjerne struje su baterije, akumulatori, solarne čelije, ispravljači itd. a izmjenične generatori(elektrane), dinamo na biciklu, itd.

 

                                                                                  

7

Istosmjerna struja

 

 

 

 

Izmjenična struja

 

       

 

 

 

8

Struja Struja ima dva smjera: Unutarnji i vanjski (tehnički):

u strujnom krugu uvjek teče od + pola prema - polu baterije, a unutar samog izvora od - prema + polu.

Elektroni putuju u smjeru suprtnom struji. Elektroni su negativno nabijeni i privlači ih + pol baterije.

Struju općenito opisujmo sa dvije najvažnije veličine, iako ih ima i više. Prva od njih je jakost struje (označava se sa I ) i to je veličina koja predstavlja količinu elektrona koji proteku kroz vodić u sekundi. Mjeri se u amperima (A). Najlakše je predočiti jakost struje kao protok vode koja prođe kroz neku cijev. Jakost struje mjeri se uređajem zvanim ampermetar.

Naprimjer ako kroz prvi vodič proteče 5 elektrona u sekundi, a kroz drugi 10, očito je da je jakost druge struje duplo veća od prve. Ako kroz sijalicu teče mala struja, ona će slabo ili uopće neće svijetliti, ako je struja jača, sijalica će svijetliti jače, a ako još povećamo struju sijalica će pregorjeti.

Da bi spriječili pregaranje (kvar) uređaja, moramo ih zaštititi od prevelike struje. Zato ispred njih u strujni krug spajamo osigurače. Osigurač je uređaj koji pri određenoj jakosti struje prekida strujni krug i tako štiti uređaj od prevelike jakosti struje.

 

Simbol osigurača prikazan je na slici:

 

Druga važna veličina u strujnom krugu je napon. Napon je osobina izvora el. energije i mjeri se u Voltima (V) uređajem zvanim voltmetar. Napon izvora se u strujnom krugu može se usporediti sa snagom pumpe u krugu sa vodom. Izvor sa većim naponom kroz isto trošilo potjerat će jaču struju.

9

U izmjeničnom strujnom krugu smjer struje i napona se stalno mijenja, a brzinu tog mjenjanja opisujemo frekvencijom el. struje. Frekvencija prikazuje broj izmjena smjera u sekundi i mjeri se u Hertzima (Hz).

Za čovjeka opasna jakost struje je oko 100 mA, a opasnim naponom smatra se napon veći od 50 V.

Mrežni napon od 220V vrlo je opasan i sa njime treba vrlo pažljivo raditi.

Da bi onemogućili protjecanje struje kroz tijelo (i općenito tamo gdje je ne treba) koristimo izolatore.

Znači, ako nosimo gumene tenesice napon od 220V kroz tijelo protjera manju struju nego ako stojimo u lokvi vode (voda vodi struju). No bez obzira na to što nosimo na nogama, kontakt sa visokim naponom je vrlo opasan, no prvi slucaj je znatno manje opasan od drugog. Ako ikada budete radili sa naponima većim od 50V obavezno se što bolje izolirajte od poda, zida, radijatora ili ičega vodljivog što ima kontakt sa zemljom, i budite oprezni da nipošto ne dotičete gole žice. Zemlja se uvjek ponaša tako da struja teće prema njoj. Ne dopustite da struja teče kroz vas!!!

Za razne efekte, pretvorbu energije, prikaz i obradu podataka može se iskoristiti el. struja. Kao što znamo struja teče kroz vodiče, no ništa se ne dešava dok ona ne protiče kroz trošilo. Tek trošilo pretvara el. energiju u druge oblike. Često se javlja potreba da neku struju kroz neko trošilo smanjimo, povećamo, moduliramo, prilagodimo itd.

Za manipulacijom naponom i strujom koriste se različite elektroničke komponente.

Elektroničke komponente dijele se na aktivne i pasivne. Pasivne komponente su one koje ogu smanjiti jakost električne struje ili njezin napon, dok aktivne mogu na svom izlazu imati veći napon ili jakost struje nego na ulazu.

Pasivne komponente su : otpornici, kondenzatori, zavojnice itd.

Aktivne komponente : tranzistori, integrirani krugovi, tiristori, izvori itd.

Složeni strujni krugovi sastoje se od mnoštva, ponekad i više miliona komponenti, no da bi ih razumjeli moramo se pozabaviti pojavama i djelovanjima u pojedini komponentama

10

OSNOVE ELEKTROTEHNIKE

Elektricitet

Usmjereno kretanje elektrona koji su oslobođeni uticaja atomskog jezgra nazivamo električnom strujom. Električni naboj direktno mjerimo elektrometrom. Električnu struju mjerimo galvanometrom.

Neutralan atom ima jednaku količinu pozitivnog i negativnog naboja tj. broj protona u jezgri je jednak broju elektrona u omotaču. Za tijelo sa viškom elektrona kažemo da je "negativno naelektrizirano", dok za tijelo sa manjkom elektrona kažemo da je "pozitivno naelektrizirano".

Električna struja

Električna struja je tijek električnog naboja, tj. usmjereno gibanje njegovih nosilaca.

Električna struja može biti istosmjerna ili izmjenična.

Struja teče kroz metale, elektrolite, plinove i poluvodiče. Nosioci naboja u metalima su slobodni elektroni, u elektrolitima negativni i pozitivni ioni (anioni i kationi), u plinovima ioni i elektroni, a u poluvodičima elektroni i šupljine.

Metali koji obiluju slobodnim elektronima su dobri vodiči struje, npr. srebro, bakar i zlato. Slobodni elektroni su oni elektroni koji nisu u atomu, npr. omjer slobodnih i neslobodnih elektrona u bakru je 1:1, a to znači da na svaki kubični centimetar bakra dolazi 1·1022 slobodnih elektrona, pa se bakar odlikuje dobrom vodljivošću.

Dogovorom znanstvenika određen je tehnički smjer struje kao smjer gibanja pozitivnog naboja (od pozitivnog prema negativnom polu). Kako se elektroni gibaju u suprotnom smjeru to znači da je njihov naboj negativan.

Elektroni se u vodiču usmjereno gibaju pod utjecajem električnog polja, pa zbog toga na krajevima vodiča mora postojati razlika potencijala, tj. napon. Kad nema električnog polja, gibanje elektrona je kaotično, što znači da je svaki smjer jednako moguć i to brzinom od oko 1000 km/s (srednja termička brzina). Djelovanjem električnog polja elektroni dobivaju dodatnu zajedničku komponentu brzine gibanja prema pozitivnom polu (klizanje) od svega nekoliko mm/s (driftna brzina).

11

Količina naboja Q u nekom vodiču jednaka je umnošku naboja elektrona e i broju tih elektrona N:

Jakost električne struje

Jakost električne struje I jednaka je količini naboja Q koja prođe kroz poprečni presjek vodiča u vremenskom intervalu t:

Jedinca za jakost električne struje je amper (A), nazvana prema francuskom fizičaru i jedna je od osnovnih mjernih jedinica. Po definiciji jedan amper je jakost struje koja teče kroz dva beskonačno duga i tanka vodiča u vakuumu međusobno udaljena jedan metar kada sila izazvana strujom iznosi 2·10−7 N po svakom metru duljine vodiča.

Električni potencijal i električni napon

Električni napon (kraće napon, oznaka U ili V) je fizikalna veličina koja se koristi u elektrotehnici, a jednaka je razlici električnog potencijala:

Električni potencijal jest skalarna veličina koja predstavlja gradijent (promjenu u prostoru) električnog polja.

Napon pokazuje koliki je rad (W) potreban da se električni naboj (Q) premjesti izmedju dvije točke u električnom polju :

Mjerna jedinica za napon je volt (znak V).

Slikovito rečeno, napon je "napetost" električnog polja. Smanjenjem napetosti se otpušta električna struja slično otpuštanju strijele iz napetog luka. Električni napon se rasterećuje na trošilu u kojem struja prelazi u neki drugi oblik energije, odnosno vrši nekakav rad.

12

Dio elektromotorne sile koji djeluje u nekom dijelu strujnog kruga zovemo električni napon.

Električni otpor i Ohmov zakon

U  je napon između krajeva vodiča, I je jakost struje kroz vodič, R je električni

otpor vodiča. Jedinica za otpor je ohm, a oznaka jedinice je . .

Električni otpor vodiča duljine l, poprečnog presjeka S i otpornosti  jednak je:

Jedinica za otpornost je .

Električni otpor vodiča mijenja se s temperaturom prema zakonu , gdje je R otpor na , T je temperatura, a  je temperaturni koeficijent otpora.

Serijski spoj otpora: Paralelni spoj otpora:

Ukupni otpor: Ukupni otpor:

13

Otpornici

Otpornik je najosnovniji element složenijih strujnih krugova. To je komponenta koja pruža otpor protoku el. struje. Otpornik se označava slovom R i prikazuje sljedećim simbolom:

 

 

Iduća slika predstavllja spoj otpornika u strujnom krugu.

 

 

U strujnom krugu imamo izvor U koji svojim naponom kroz krug tjera struju I koja dalje teče kroz otpornik R i trošilo T.

U složenijim strujnim krugovima uz slova se pišu i brojevi(indeksi):

 

 

 

 

 

U ovom krugu imamo tri struje (I1, I2 i I3) tri otpornika (R1, R2 i R3) te dva izvora (U1 i U2).

 Najvažnija osobina otpornika je iznos njegovog otpora. Otpor pokazuje u kojoj mjeri se otpornik protivi prolasku struje i mjeri se u Ohmima (Ω).

14

Označavanje otpornika

Svaki otpornik ima svoj otpor. Da bi znali koliki otpor neki otpornik ima, možemo ga izmjeriti ommetrom (uređaj za mjerenje otpora) ili jednostavno pročitati što na njemu piše. Otpornici se označavaju na više načina, alfanumerički tj. slovima i brojkama, te pomoću boja.

Navedimo par primjera alfanumeričkog označavanja :

 

  - oznaka 5R  - iznos 5Ω

 

 

   - oznaka 5E  -  iznos 5Ω

 

 

- oznaka 10Ω  - iznos 10 Ω

 

Vidimo da slova kao što su R, E znače isto što i Ω (omega). Često se otpornici označavaju oznakama kao što su 5R6 , 9R1, 2E2 itd. Iznosi ovih otpornika nisu cijeli brojevi nego oni predstavljaju iznose 5.6Ω, 9.1Ω, 2.2Ω itd.

-         oznaka 3R3  -  iznos 3.3Ω

Iznosi od 1Ω ili 10Ω su često premali za neke uređaje. Zato koristimo oznake poput kiloohma (KΩ) i megaohma (MΩ). Iduća tablica pokazuje odnose između tih veličina. Ove veličine mogu se koristiti i za napon, struju i sve druge veličine.

15

Oznaka Naziv Iznos

p piko0,000 000 000 001=10-12

n nano 0,000 000 001=10-9

µ mikro 0,000 001=10-6

m mili 0,001=10-3

K kilo 1 000=103

M mega 1 000 000=106

G giga 1 000 000 000=109

T tera1 000 000 000 000=1012

1 pΩ (jedan pikoohm) = 0,000 000 000 001Ω = 1*10-12 Ω

5 μΩ (pet mikroohma) = 0,000 005Ω = 5*10-6Ω

200 mA (dvadeset miliampera) = 0,02A = 20*10-3 A

2,2 KΩ (dva cijela dva kiloohma) = 2 200Ω = 2,2*103

Oznaka na otporniku 2K znači da on ima 2000 Ω.

2K2 = 2,2 KΩ = 2200Ω

3M3 = 3,3 MΩ = 3300KΩ=3300000Ω

22K = 22 KΩ = 22000Ω ITD.

 

 

16

17

PLOČASTI KONDENZATORI

ELEKTROLITSKI KONDENZATORI

18

STRUJNI KRUG, MJERENJE STRUJE I NAPONA - SIMULACIJA U PROGRAMU ELECTRONICS WORKBENCH

19

SERIJSKI SPOJ OTPORA

PARALELNI SPOJ OTPORA

20

POLUVODIČI

Dioda

Diode u različitim kućištima

Dioda je nelinearni poluvodički elektronički element (ili, rjeđe, elektronska cijev) s dva priključka koji posjeduje ispravljačka svojstva. Poluvodičke diode se izvode se temelju pn-spoja ili, rjeđe, na temelju spoja metal-poluvodič. Diode se mogu razvrstati po materijalu na kojemu su rađene (silicij, germanij, galij-arsenid, silicij-karbid) i po tipu (ispravljačke, svijetleće, foto-diode, Zener diode, Schottky diode, tunel-diode itd.).

Fizikalne osnove rada

Građa i simbol diode

21

Osnova rada većine današnjih dioda se temelji na strukturi koja se naziva pn-spoj. Kod pn dioda (spojnih) u ovisnosti o narinutom naponu, teče struja. Uz narinuti napon priključen tako da je negativan pol izvora na katodi a pozitivan na anodi, dioda je propusno polazirana i vodi stuju. Uz suprotan polaritet narinutog napona dioda neće voditi, točnije kroz diodu će teći mala reverzna struja zasićenja. Drugi tip dioda su Schottky diode, koje svoj rad temelje na spoju metal - poluvodič.

Tipovi dioda

DiodaSvijetleća

dioda (LED)Zenerdioda

Schottkydioda

Neki simboli dioda

Postoje različiti tipovi dioda, a klasifikacija se radi po funkciji koju dioda obavlja:

Ispravljačke (signalne) diode

Ispravljačke diode su diode koje se koriste za ispravljanje izmjeničnih veličina u istosmjerne. Njihov rad je već opisan u uvodu: diode vode struju kada su propusno polarizirane, a ne vode kada su nepropusno. Zovu se još i signalne jer se koriste u demodulaciji radio signala. Ispravljačke diode su bile osnovni elementi jednih od prvih elektroničkih logičkih vrata (DTL - Diode Transistor Logic).

Zener dioda

Zener diode su diode koje se uglavnom koriste kao refentni izvori napona. Izraženo područje proboja kod tzv. Zenerovog napona se koristi za dobivanje stabilnog refentnog napona.

22

Svjetleća dioda (LED)

Svjetleće diode emitiraju svjetlost kada su propusno polarizirane. Boja svjetlosti ovisi o primjesama u poluvodiču, a mogu varirati od ultraljubičaste do infracrvene. Koriste se za prijenos signala (infracrvene) i signalizaciju. Koriste se i prilikom galvanskog odvajanja električnih krugova, najčešće u optokaplerima

Schottky dioda

Schottkyeva dioda temelji svoj rad na ispravljačkom spoju metal-poluvodič. Osnovna karakteristika ove diode je mali napon koljena (0.2 V) i brzo vrijeme oporavka, pa se često koriste u impulsnim sklopovima ili kao zaštitni elementi.

Tunel (Esakijeva) dioda

Kod tunelskih dioda dolazi na uskom zapornom sloju do efekta tuneliranja kod čega slobodni elektroni i šupljine prelaze s jedne na drugu stranu PN-spoja kod malih napona.

Tunelske diode se koriste u oscilatorima velikih frekvencija do 10GHz. Odonos između struje Ip i Iv iznosi Ip/Iv=(5 do 10).

Varikap dioda

Varikap (varaktor, kapacitivna dioda) je dioda s naponski upravljanim kapacitetom. Kapacitet je posljedica osiromašenog sloja u pn-spoju. Upotrebljava se u modulatorima. Najčešće radi u nepopropusnom području. Kapacitet se kreće između 10 i 200pF, a probojni naponi su oko 40V. Kapacitivne diode se koriste za ugađanje tirajnih krugova i za automatsku regulaciju frekvencije u radiotehnici.

Ispravljanje izmjenične struje

Ispravljanje izmjenične struje se temelji na osnovnome principu rada diode: vođenje struje kada je propusno polarizirana. Na taj način se iz izmjenične struje može dobiti istosmjerna struja.

23

SVIJETLEĆA DIODA (LED)

Led (Light Emitting Diode) je elektronička komponenta koja pretvara električnu energiju u svjetlost.Sastoji se od poluvodičkog chipa, pozitivnog i negativnog izvoda zalivenih u epoksi kućište koje određuje oblik i optičke karakteristike komponente.

 

Razvoj LED-diodaOd prve praktične primjene (1962.) razvoj LED-a se ubrzano odvija paralelno šireći prostor primjene. Razvoj se grubo može podijeliti na tri cjeline. Prvo su razvijene monohromatske LED diode (crvena, žuta, zelena), tek 1993. japanski znanstvenik Shuji Nakamora je uspio razviti LED diodu plave boje. Bazirana na tehnologiji plave LED diode ubrzo je razvijena bijela LED dioda 1997. g. što je značilo i prekretnicu u širini primjene. Od toga vremena do danas razvoj je usmjeren na povećanje razine svjetla, tako da danas postoje LED diode sa svjetlosnim tokom koji prelazi 120 lm. Uzeći u obzir odlične karakteristike, brzinu razvoja koji prati rast tržišta, LED diode predstavljaju izvor svjetla budućnosti.

 

   

 

Opće karakteristike

Generalno gledajući, LED diode su dizajnirane za nazivni napon 2-3,6V uz struju od 20-30mA, što znači da im je potrebno manje od 0,1W za rad. Za razliku od klasičnih žarulja električnu energiju pretvaraju direktno u svjetlost određene valne dužine uz zanemarivo zagrijavanje. U pogledu trajnosti, uz određene radne uvjete životni vijek prelazi 100 000 sati. Ne sadrže živu, staklo, štetne plinove i otrovne materijale, te se mogu reciklirati. Zbog odličnih mehaničkih karakteristika neosjetljive su na vibracije, udarce i ostala naprezanja.

 

24

Tranzistor

Fizički izgled tranzistora kao diskretnih elementata

Tranzistor je poluvodički elektronički element. Koristi se za pojačavanje, kao sklopka, za stabilizaciju napona, modulaciju signala i mnoge druge primjene. Osnovni je tvorni element mnogih elektroničkih sklopova, integriranih krugova i elektroničkih računala.

Tranzistori se prema načinu rada dijele u dvije glavne grupe: unipolarni (eng. FET - Field Effect Transistor) kod kojih vodljivost ovisi samo o većinskim nositeljima naboja (elektronima u N-kanalnom ili šupljinama u P-kanalnom tipu) i bipolarni (eng. BJT - Bipolar Junction Transistor) kod kojih vodljivost ovisi i o manjinskim nositeljima (elektronima u NPN ili šupljinama u PNP tipu).

Bipolarni tranzistori

Bipolarni su tranzistori građeni tako da dopiranjem čistog poluvodiča, npr. silicija ili germanija, nastaje struktura u kojoj se između dva područja istog tipa vodljivosti (P ili N) nalazi područje suprotnog tipa vodljivosti (N ili P). Ovisno o tome moguća su dva tipa bipolarnih tranzistora koji se označavaju kao:

PNP(pozitivno-negativno-pozitivno) NPN(negativno-pozitivno-negativno)

Nazivi dijelova bipolarnih tranzistora:

baza [B] emiter [E]

kolektor [C]

25

i na njih su spojeni izvodi pomoću kojih se tranzistor spaja u vanjski električni krug.

Baza je uvijek srednja elektroda. Emiter je vanjska elektroda koja s bazom tvori PN-spoj koji je u normalnom aktivnom načinu rada polariziran u propusnom smjeru. Kolektor s bazom tvori PN-spoj koji je u normalnom aktivnom načinu rada nepropusno polariziran.

Princip rada tranzistora se zasniva na injekciji manjinskih nosilaca iz emitera u bazu i njihovom transportu do kolektora. Kako je napon na spoju baza-emiter manji od napona na spoju kolektor-baza, a također je i struja koja teče u bazu manja od struja emitera i kolektora znači da tranzistor omogućuje upravljanje potrošnjom u krugu veće snage pomoću kruga u kojem se troši manja snaga. Ovisno o tome koja je elektroda za oba kruga zajednička tranzistor se može koristiti u tri različita spoja.

U spoju sa zajedničkom bazom ostvaruje se samo pojačanje napona, u spoju sa zajedničkim kolektorom samo pojačanje struje, a spoju sa zajedničkim emiterom pojačava se i napon i struja, pa je pojačanje snage najveće.

Za učinkovit je rad tranzistora bitno da struja koja teče u bazu bude što manja. Dva faktora koja na to utječu su faktor injekcije i transportni faktor. Faktor injekcije ovisi o odnosu broja nosilaca koji se injektiraju iz emitera u bazu prema broju nosilaca koji se injektiraju iz baze u emiter. Povoljan se odnos postiže kada je emiter znatno više dopiran od baze.

Transportni faktor ovisi o broju injektiranih nosilaca koji se rekombiniraju u bazi, a za njega je bitno da baza bude dovoljno tanka kako bi nosioci stigli do kolektorskog spoja prije nego što se rekombiniraju.

Bilo da se radi o PNP ili NPN tipu tranzistora oba obavljaju istu funkciju. Razlika je u polaritetima vanjskih napona i struja, te u vrsti nosilaca električne struje. U PNP tipu tranzistora glavni su nosioci električne struje šupljine, a u NPN tipu tranzistora su to elektroni.

26

Unipolarni tranzistori

Kod unipolarnih tranzistora, za razliku od bipolarnih, u vođenju struje sudjeluje samo jedna vrsta naboja (ili elektroni ili šupljine). Nazivaju se tranzistori sa efektom polja (engl. Field-effect transistor, skraćeno FET, a njem. Feldeffekt Transistor). Svojstvo im je da imaju vrlo veliki ulazni otpor pa ne zahtjevaju ulaznu struju.

Vrste:

Spojni (engl. Junction field-effect transistor, skraćeno JFET, a njem. Sperrschicht-FET)

S izoliranim zasunom (engl. Insulated gate FET, skraćeno IGFET ili metal oxide semiconductor FET, skraćeno MOSFET, a njem. Isolierschicht-FET).

S obzirom na tip poluvodiča obadvije vrste mogu biti n-kanalne ili p-kanalne.

KUČIŠTA TRANZISTORA

27

OPĆENITO O TISKANIM PLOČICAMA

Danas teško možemo zamisliti neki složeniji spoj bez upotrebe tehnike tiskanih spojeva, a praktičnost joj se ne može osporiti niti kod jednostavnijih uredaja. Tehnika tiskanih spojeva donijela je prema uobičajenoj spojnoj tehnici ožičavanja niz prednosti : veću preglednost , smanjenje obujma i težine , te znatno bržu izradu u maloserijskoj i serijskoj proizvodnji.

MATERIJALI ZA TISKANE PLOČICE

U principu za tiskane pločice može poslužiti bilo koji izolacijski materijal prevučen tankim slojem bakra - el. vodiča , bilo s jedne ili s obje strane ; medutim , najčešće je to pertinaks, super-pertinaks, tvrdi papir ili epoksidna tvrda staklena tkanina.

Ova zadnja spomenuta poznata je u nas pod nazivom Cu-vitroplast te ima niz prednosti nad drugim materijalima : velika čvrstoća , poluprozirnost ,...

Budući da je poluproziran, može se dobro uz pomoć svjetla konstatirati eventualni prekid izradenih spojnih vodova, neželjeni kontakt ili kratki spoj vodova, i sl. Ploče oslojene bakrom nazivaju se i bakrom kaširane ploče.

Sloj bakra može biti različite debljine , no najčešće je to 35 Nm.

28

Karakteristično je za ploče vitroplasta to da je boja laminata blijedozelena.

OTAPANJE BAKRA S TISKANE PLOČICE

Nakon što smo prenijeli željeni sloj na bakreni sloj pristupit čemo otapanju u odgovarajučoj otopini.

Takvih otopina ima gotovih samo je pitanje mogu li se uvijek nabaviti.

Jedna od takvih otopina je otopina bakrenog(II)klorida CuCl2.

Bakreni(II)klorid se dobiva u kristaličnom obliku. Otapa se u vodi i to 200g po po litri vode zagrijanoj na 40°C u koju se poslije toga po litri tekućine doda oko 1 dec koncentrirane solne kiseline.

Otapa se na sobnoj temperaturi i to svega 10 min pri jakom gibanju pločice. Ako se otopina zagrije na temperaturu više od 50°C, vrijeme otapanja se pri svježoj otopini skraćuje na svega 2 min.

Pri otapanju se treba pobrinuti da se pločica cijelo vrijeme giba. Nakon što se otopi bakar, pločicu treba dobro isprati tekućom vodom i osušiti, npr.,sušilom za kosu ili pak među papirima.

Iza toga potrebno je prikladnim otapalom (razređivačem) skinuti zaštitni sloj ili preslikače.

To su, npr.,nitro razređivač za lakove, aceton, benzin za preslikače i sl. Tiskanu pločicu na kojoj se sada jasno vidi bakreni sloj potrebno je nasprejati posebnim lakom koji će bakreni sloj zaštititi od oksidacije.

To ne smije biti bilo kakav lak, jer će se sigurno kasnije lemljenje biti otežano ili čak onemogućeno.

Lakovi predviđeni upravo za tu svrhu su, npr.: Lotlack SK 10, Lot-Spray, Teslanol 12 ili A-film. Takva pločica, jednoliko zaštićena lakom, može stajati dulje vremena prije uporabe, pod uvjetom da prije zaštičivanja nije bila oksidirana.

29

BUŠENJE TISKANE PLOČICE

Tiskane pločice treba bušiti pažljivo i s odgovarajućom brzinom vrtnje svrdla. Brzina vrtnje ovisi o materijalu upotrijebljenog svrdla i njegovog reznog kuta , pa i materijalu pločice.

U principu treba upotrebljavati veću brzinu vrtnje, jer će to dati čišće provrte, a rad će biti kraći. Za normalne sastavne elemente rupe treba bušiti svrdlima promjera 0.8, 0.9 te 1 mm, a prema potrebi i 1.1, 1.2 mm te 2 mm , što ovisi o promjeru priključaka sastavnih elemenata.

LEMLJENJE NA TISKANE PLOČICE

Lemljenje je jedna od najvažnijih radnji pri sastavljnju sklopa. Ako ne znamo lemiti onda nam neće pomoći ni dobro lemilo ni dobar lem. Najveću pogrešku čine oni koji na vrh lemila pritisnu žicu za lemljenje, pa tako dobiju kapljicu rastopljenog kositra koju onda donesu na mjesto na kojem treba ostvariti spoj. Pri tome ni ne misle na to, da je sredstvo predviđeno za čišćenje metalnih površina, koje treba zalemiti, isparilo već na vrhu lemila.

Prikaz neispravnog lemljenja Prikaz ispravnog lemljenja

Ona prvo otopi sredstvo za lemljenje koje zalije čitavo mjesto spoja, na koje se onda u nastavku zalije čitavo mjesto spoja, koje se onda u nastavku razlije

30

rastopljeni kositar. Šiljak lemila se ne smije odmah odmaknuti, već treba sačekati da kositar poprimi jednoličnu srebrnu boju.

Dobar lemni spoj je nakon što se ohladi, gladak, a boja mu je mat-srebrna. Uz pojam lemljenja ide i pojam tzv. hladnih spojeva. To su spojevi naoko u redu, ali su zapravo trajno ili povremeno bez kontakta. Hladni spojevi mogu nastati odmah ili nakon nekog vremena.

Izgled pravilno napravljenih lemnih mjesta

IZRADA TISKANE PLOČICE TERMOPOSTUPKOM

Tiskane pločice mogu se izrađivati na nekoliko različitih načina. Metoda izrade ovisi o željenoj kvaliteti tiskanih pločica, količini i cijeni. Najprije se na specijalnu foliju debljine 0,1 mm pomoću standardnog fotokopirnog stroja prekopira izgled tiskane pločice, zapravo fotokopiranjem se na foliju nanosi boja koja se u slijedećoj fazi izrade mora prenijeti na bakrenu površinu buduće pločice. Toplinskom obradom boja s folije prelazi na bakrenu površinu i tu sada čini sloj otporan na otopinu za jetkanje. Željeni predložak izgleda vodova fotokopira se na foliju pomoću normalnog fotokopirnog stroja.

Bakrenu površinu pločice treba dobro očistiti, a zatim na nju pomoću dva mala komadića ljepljive trake pričvrstiti folija i to tako da boja dođe sa strane bakra. Pločica se na pogodan način zagrije na otprilike 140 °C, a zatim se gumenim valjkom nekoliko puta uz umjereni pritisak pređe preko folije. Ovako obrađenu pločicu treba ohladiti, a foliju polagano skinuti. Ako je potrebno napraviti korekciju otiska najjednostavnije je vodootpornim flomasterom, nakon čega se pločica stavlja u otopinu za jetkanje.

31

Vrijeme jetkanja bakra ovisi o vrsti jetkala i samom tehnološkom postupku, a ako su sve prethodne radnje dobro izvedene kvaliteta gotove tiskane pločice bit će potpuno zadovoljavajuća.

                                                                         8

Pločicu je najlakše zagrijati na potrebnu temperaturu uz pomoć glačala i to tako da se temperatura glačala podesi na pamuk, a glačalo okrene radnom površinom prema gore. Na glačalo zatim postavite pločicu koja se za otprilike dvije minute zagrije na potrebnu temperaturu.

IZRADA TISKANE PLOČICE FOTOPOSTUPKOM

Čišćenje bakrom kaširane pločice "VIM-om" ili sličnim sredstvom 2. Pranje pločiceSušenje pločice 4. Oslojavanje foto-sprejemSušenje u pećnici (25 do 30 min.) - max. temperatura 70 °C Kopiranje predloška (filma) na fotosloj (4 do 20 min.)Razvijanje (oko 2 min.) - razvijač temperature oko 20 °C Ispiranje Jetkanje (5 do 20 min.) - temperatura otopine max. 50 °C IspiranjeSušenjeOslojavanje zaštitnim lakom preko kojega se može lemiti

32