wydział informatyki, elektroniki i telekomunikacji katedra ... · elektronika – dziedzina...

2018-02-27

1

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

dr inż. Piotr Dziurdzia paw. C-3, pokój 413; tel. 617-27-02, [email protected]

dr inż. Ireneusz Brzozowski paw. C-3, pokój 512; tel. 617-27-24, [email protected]

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA W KRAKOWIE

Wydział Informatyki, Elektroniki i Telekomunikacji

Katedra Elektroniki

ELEMENTY ELEKTRONICZNE

E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - wstęp 2

CO JUŻ WIEMY, DO CZEGO BĘDĄ NAM POTRZEBNE ?

Teoria obwodów

UkŁady elektroniczne ELEMENTY

elektroniczne

2018-02-27

2

ELEMENT a PRZYRZĄD


element – część składowa jakiejś całości

przyrząd – urządzenie techniczne służące do wykonywania określonych czynności, zwykle pomiarowych

(Słownik Języka Polskiego PWN - http://sjp.pwn.pl/)

ELEMENT a PRZYRZĄD

Element elektroniczny

Najprostsza część układu elektronicznego stanowiąca

konstrukcyjną całość, ma pewne własności i spełnia

określoną elementarną funkcję (przewodzi prąd, wytwarza pole

elektryczne itd.)

Przyrząd elektroniczny

Funkcjonalny składnik układu elektronicznego, często

składający się z kilku elementów, ale spełniający pewną funkcję w większym

układzie przyrząd półprzewodnikowy,

lampa elektronowa - przyrząd próżniowy


często:

ELEMENT PRZYRZĄD zwłaszcza w handlu

http://sjp.pwn.pl/

2018-02-27

3

ELEMENT a PRZYRZĄD


Płytka układu scalonego – zestaw odpowiednio

połączonych elementów elektronicznych

Ta sama płytka układu scalonego zamontowana w obudowie – przyrząd elektroniczny: układ

scalony

Fotografie przedstawiają układ scalony zaprojektowany w Katedrze Elektroniki AGH i wykonany przez Europractice

UKŁAD ELEKTRONICZNY


Układ elektroniczny

Zbiór przyrządów elektronicznych odpowiednio ze sobą połączonych w celu realizacji pewnego podstawowego

zadania, jakiejś pracy

(np.: wzmacnianie, generacja, stabilizacja napięcia lub prądu itd.)

układ 1. uporządkowany według określonych zasad lub właściwości szereg przedmiotów, zdarzeń

itp.; też: sposób uporządkowania lub rozmieszczenia czegoś 2. całość składająca się z powiązanych wzajemnie elementów 3. zespół części lub mechanizmów w maszynie albo urządzeniu wykonujący określoną pracę 4. umowa, zwłaszcza między państwami 5. powiązania, relacje między ludźmi, państwami itp. 6. zespół narządów współpracujących ze sobą w wykonywaniu określonych funkcji w organizmie


http://sjp.pwn.pl/

2018-02-27

4

UKŁAD, SYSTEM, URZĄDZENIE itd.


System elektroniczny

Zbiór odpowiednio połączonych i współpracujących ze sobą układów elektronicznych (często analogowych i cyfrowych) w celu realizacji jakiegoś zadnia, funkcji

(system mikroprocesorowy, pomiarowy, akwizycji danych, itp.)

system 1. układ elementów mający określoną strukturę i stanowiący logicznie

uporządkowaną całość 2. zespół wielu urządzeń, dróg, przewodów itp., funkcjonujących jako całość 3. narządy lub inne części żywego organizmu pełniące razem określoną funkcję 4. uporządkowany zbiór twierdzeń, poglądów, tworzących jakąś teorię 5. określony sposób wykonywania jakiejś czynności lub zasady organizacji czegoś 6. forma ustroju państwowego 7. zespół skał powstałych w ciągu jednego okresu geologicznego 8. log. całościowy i uporządkowany zespół zdań połączonych ze sobą stosunkami logicznego wynikania


UKŁAD, SYSTEM, URZĄDZENIE itd.


urządzenie 1. mechanizm lub zespół mechanizmów, służący do wykonania określonych

czynności 2. daw. wyposażenie jakiegoś pomieszczenia


Urządzenie elektroniczne

System bądź zbiór systemów i/lub układów elektronicznych odpowiednio połączonych, stanowiących

funkcjonalną całość, służący do określonych celów i mający własności użytkowe

(np.: telewizor, odtwarzacz CD, komputer itd.)

http://sjp.pwn.pl/

http://sjp.pwn.pl/

2018-02-27

5


element podstawowy

ELEMENTY ELEKTRONICZNE – KLOCKI LEGO ELEKTRONIKI ?


PORÓWNANIE DO JĘZYKÓW PROGRAMOWANIA

Si, Ge, GaAs

01011100

ASEMBLER

MOVA, B JUMP

JĘZYKI OBIEKTOWE

C++ JAVA DELPHI

JĘZYKI

WYŻSZEGO RZĘDU

FORTRAN C

2018-02-27

6

…elektrotechnika?


…informatyka?

…telekomunikacja?

…automatyka?

…elektronika?

CO TO JEST ELEKTRONIKA ?


Elektronika – dziedzina techniki i nauki zajmującą się wytwarzaniem i przetwarzaniem sygnałów w postaci prądów i napięć elektrycznych lub pól elektromagnetycznych. (Źródło: Wikipedia)

W elektronice istotna jest możliwość sterowania ruchem elektronów w gazach, próżni i półprzewodnikach.

http://pl.wikipedia.org/wiki/Dziedzina

http://pl.wikipedia.org/wiki/Technika

http://pl.wikipedia.org/wiki/Nauka

http://pl.wikipedia.org/wiki/Sygna%C5%82

http://pl.wikipedia.org/wiki/Pr%C4%85d_elektryczny

http://pl.wikipedia.org/wiki/Napi%C4%99cie_elektryczne

http://pl.wikipedia.org/wiki/Pole_elektromagnetyczne

http://narrator.up.pl/

2018-02-27

7

TROCHĘ HISTORII


Pierwszą lampę elektronową zbudował w roku 1904 John Ambrose Fleming - była to DIODA

Pierwszą lampę wzmacniającą opracował (1906 lub 1908) Lee de Forest – była to TRIODA

OD KIEDY MÓWIMY O ELEKTRONICE ?

Źródło: http://narrator.up.pl/

TROCHĘ HISTORII


PIERWSZY TRANZYSTOR

16.12.1947, Bell Telephone Laboratories


2018-02-27

8

TROCHĘ HISTORII


lipiec 1958, Jack Kilby, Texas Instruments

PIERWSZY UKŁAD SCALONY


Źródło: http://www.cpu-zone.com/4004.htm, Intel (http://www.intel.com/museum)

PIERWSZY MIKROPROCESOR

1971, INTEL (INTegrated ELectronics)

TROCHĘ HISTORII

2300 tranzystorów,

technologia PMOS, bramka

10 µm,

częstotliwość pracy 108 kHz


2018-02-27

9

WSPÓŁCZESNOŚĆ


Źródło: INTEL

2,6 miliarda tranzystorów,

technologia CMOS ,

bramka 22 nm,

tranzystory Tri-Gate 3D

częstotliwość pracy (max) 3,5 GHz


SYSTEMY NA KRZEMIE (SOC)

WSPÓŁCZESNOŚĆ


2018-02-27

10

WSPÓŁCZESNOŚĆ


'Courtesy of Sandia National Laboratories, SUMMiT(TM) Technologies, www.mems.sandia.gov'

MIKROMASZYNY MEMS

1 µm

KLASYFIKACJA ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH


2018-02-27

11

RÓŻNE SPOJRZENIA NA ELEMENTY ELEKTRONICZNE


Fizyk technolog

Źródło foto: http://www.zgapa.pl,

Serwisant urządzeń

Projektant aplikacji

ZAKRES WYKŁADU

• Rezystor, kondensator, cewka

• Fizyka półprzewodników, złącze p-n

• Dioda

• Tranzystor unipolarny

• Tranzystor bipolarny

• Elementy bezzłączowe i inne elementy półprzewodnikowe

termistor, piezorezystor, gaussotron, hallotron

IGBT, tyrystor, triak, V-MOS, D-MOS, moduł Peltiera, CCD i inne

• Elementy elektroniczne w układach scalonych



http://www.zgapa.pl/

2018-02-27

12

ORGANIZACJA PRZEDMIOTU

• Wykład – Egzamin

będzie przeprowadzony w formie pisemnej lub ustnej

• Laboratorium – Zaliczenie

wykonanie ćwiczeń lab. przewidzianych programem zajęć laboratoryjnych i zaliczenie kolokwiów

Ocena końcowa będzie obliczana jako średnia ważona z ocen uzyskanych

z egzaminu (60%) i zaliczenia laboratorium (40%)


GDZIE SZUKAĆ WIEDZY?

• Wykład

• Biblioteka - podręczniki akademickie – Marciniak W. „Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone ”, Warszawa, WNT, 1987

– Polowczyk M., Klugmann E. „Przyrządy półprzewodnikowe”, Gdańsk, Wyd. PG, 2001

– Polowczyk M. „Elementy i przyrządy półprzewodnikowe powszechnego zastosowania”, Warszawa, WKŁ, 1986

– Świt A., Pułtorak J. „Przyrządy półprzewodnikowe”, Warszawa, WNT, 1979

– Horowitz P., Hill W. „Sztuka elektroniki. Cz. 1”, Warszawa, WKŁ, 2003

– Tietze U., Schenk Ch. „Układy półprzewodnikowe”, Warszawa ,WNT, 2009

– Koprowski J. „Podstawowe przyrządy półprzewodnikowe”, Kraków, Wyd. AGH, 2009

– i inne

• Internet – Strona przedmiotu

(http://www.scalak.elektro.agh.edu.pl/test/index.php?option=com_content&view=article&id=28:ee&catid=6:przedmioty&Itemid=3)

– Inne strony


http://www.scalak.elektro.agh.edu.pl/test/index.php?option=com_content&view=article&id=28:ee&catid=6:przedmioty&Itemid=3

http://www.scalak.elektro.agh.edu.pl/test/index.php?option=com_content&view=article&id=28:ee&catid=6:przedmioty&Itemid=3

2018-02-27

13

GDZIE SZUKAĆ INFORMACJI?


strona internetowa przedmiotu: http://www.scalak.elektro.agh.edu.pl

REZYSTOR, CEWKA,

KONDENSATOR Elementy bierne

E+EiT 2018 r. PD&IB 26

2018-02-27

14

REZYSTOR

E+EiT 2018 r. PD&IB Elementy elektroniczne - rezystor 27

przewlekane SMD Surface Mount Device

REZYSTOR

łac. resistere - stawiać opór

E+EiT 2018 r. PD&IB 28 Elementy elektroniczne - rezystor

Rezystor stawia „opór” przepływającemu prądowi przez obwód.

Charakteryzuje się rezystancją. Im większa rezystancja tym mniejszy prąd

przepływa przez obwód.

2018-02-27

15

REZYSTOR

Po co komu element, który

przeszkadza

w przepływie prądu?


REZYSTOR - po co?


żaróweczka

kryptonowa

2,2 V

0,47 A

2018-02-27

16

REZYSTOR - po co?


żaróweczka

kryptonowa

2,2 V

0,47 A

REZYSTOR to

dwukońcówkowy (dwójnik) element bierny rozpraszający, w którym zachodzi proces zamiany

energii elektrycznej na cieplną, jego podstawowym parametrem jest rezystancja


Element bierny (pasywny) to odbiornik energii elektrycznej

• Całkowita energia doprowadzona do elementu w czasie od -∞ do t jest nieujemna dla dowolnego charakteru napięcia na jego zaciskach i prądu w tym elemencie.

• Do chwili doprowadzenia napięcia do zacisków elementu prąd w nim nie płynie i na odwrót - na jego zaciskach nie ma napięcia przed podłączeniem prądu.

2018-02-27

17

REZYSTOR – symbol graficzny

symbole używane na schematach


niezalecany można łatwo pomylić

z cewką

REZYSTOR – opis matematyczny

Prawo Ohma

Natężenie prądu stałego I jest proporcjonalne

do całkowitej siły elektromotorycznej w

obwodzie zamkniętym lub do różnicy potencjałów

(napięcia elektrycznego U) między końcami części

obwodu nie zawierającej źródeł siły elektromotorycznej.


Georg Simon Ohm 1789-1854 (Wikipedia)

I U, I = GU,

G – współczynnik proporcjonalności: konduktancja [S]

– rezystancja [] G

R1

R

UI

2018-02-27

18

OPIS ELEMENTÓW ELEKTRONICZNYCH

• Matematyczny – równanie: I=f (U) , par=f( f)

• Graficzny – charakterystyka (wykres)

• Katalogowy – parametry – dopuszczalne (maksymalne napięcia i prądy nie niszczące)

– charakterystyczne

– termiczne

– mechaniczne

– inne


CHARAKTERYSTYKI

• Prądowo-napięciowe – wykres przedstawiający prąd jako funkcję napięcia elementu


REZYSTOR

rezystor liniowy rezystor nieliniowy

Rtg

1

2018-02-27

19

CHARAKTERYSTYKI

• Częstotliwościowe – wykres charakterystycznego parametru elementu w funkcji częstotliwości


REZYSTOR

CHARAKTERYSTYKI

• Czasowe – wykres odpowiedzi czasowej na jakieś pobudzenie (napięcie lub prąd na wejściu)


REZYSTOR

UWE UWY

RWE WY

t [s]

U1

UWE [V]

t [s]

U1

UWY [V]

WEJŚCIE

WYJŚCIE

2018-02-27

20

REZYSTOR – przykład c.d.

Jaka powinna być wartość rezystora, aby żarówka dobrze świeciła?


R = (12 V – 2,2 V) / 0,47 A = 20,85

ż

żak

żżak

I

UUR

URIU

żaróweczka

kryptonowa

2,2V

0,47A

PARAMERTY REZYSTORÓW

• Rezystancja nominalna

• Moc znamionowa

• Napięcie dopuszczalne

• Tolerancja

• TWR (temperaturowy współczynnik rezystancji)

• Współczynnik szumów

• Gabaryty (wymiary)

• Inne


2018-02-27

21


Rezystancja nominalna – wartość podawana przez producenta (na obudowie)

Tolerancja – dopuszczalna różnica między rzeczywistą wartością rezystancji a wartością nominalną


Rnom ≠ Rrze

Rrze [Rnom – tol, Rnom + tol]

Rnom – rezystancja nominalna, Rrze – rezystancja rzeczywista


Czy aby na pewno opornik nie uszkodzi się pod wpływem przepływającego prądu?


20,85

9,8 V

0,47 A

PR = 9,8 V 0,47 A = 4,606 W

moc wydzielana w rezystorze

żaróweczka

kryptonowa

2,2V

0,47A

2018-02-27

22


Moc znamionowa – wartość mocy, która może się wydzielić w rezystorze w postaci ciepła (przy danej temperaturze) i nie ulegnie on zniszczeniu.

Napięcie dopuszczalne – największa wartość napięcia stałego (lub skuteczna napięcia przemiennego), którą można doprowadzić do końcówek rezystora nie powodując jego uszkodzenia.

Temperaturowy wsp. rezystancji (TWR, ang. TCR) - określa zmiany rezystancji pod wpływem temperatury. [ppm/K] (1ppm/K = 10-6/K)


dTR

dRTWR

OZNACZENIA REZYSTORÓW

• Napisy na obudowie

– kod literowo-cyfrowy

np.: 2R2 2,2 , K91 910 , 3K6 3,6 k

– kod cyfrowy np.: 202 20*102 = 2000 = 2 k,

330 33*100 = 33 ,

1541 154*101 = 1,54 k

często stosowany dla rezystorów SMD


2018-02-27

23

OZNACZENIA RE1,8 k ZYSTORÓW


http://www.edw.com.pl/pdf/k01/02_09.pdf przykład

0,22

3,9

75

910

62 k

470 k

5,6 M

36 M

1,54 k

43,2 k

931 k

1,24 M


• Kod barwny (paskowy)


kolor cyfra mnożnik tolerancja TWR

srebrny - x10-2 ±10% -

złoty - x10-1 ±5% -

czarny 0 x100 - 250ppm/K

brązowy 1 x101 ±1% 100ppm/K

czerwony 2 x102 ±2% 50ppm/K

pomarańczowy 3 x103 ±15% -

żółty 4 x104 - 25ppm/K

zielony 5 x105 ±0,5% 20ppm/K

niebieski 6 x106 ±0,25% 10ppm/K

fioletowy 7 x107 ±0,1% 5ppm/K

szary 8 x108 - 1ppm/K

biały 9 x109 - -

brak - - ±20% -

pierwsza cyfra

druga cyfra mnożnik (liczba zer)

tolerancja

pierwsza cyfra


tolerancja

pierwsza cyfra


brak – tolerancja: 20%

trzecia cyfra

pierwsza cyfra

druga cyfra

mnożnik (liczba zer)

tolerancja

trzecia cyfra

TWR

http://www.edw.com.pl/pdf/k01/02_09.pdf

2018-02-27

24


• Kod barwny (paskowy)


kolor cyfra mnożnik tolerancja TWR

srebrny - x10-2 ±10% -

złoty - x10-1 ±5% -

czarny 0 x100 - 250ppm/K

brązowy 1 x101 ±1% 100ppm/K

czerwony 2 x102 ±2% 50ppm/K

pomarańczowy 3 x103 ±15% -

żółty 4 x104 - 25ppm/K

zielony 5 x105 ±0,5% 20ppm/K

niebieski 6 x106 ±0,25% 10ppm/K

fioletowy 7 x107 ±0,1% 5ppm/K

szary 8 x108 - 1ppm/K

biały 9 x109 - -

brak - - ±20% -

WARTOSCI REZYSTORÓW

Po co tyle pasków do oznaczania rezystorów?

Jakie wartości rezystancji są dostępne w sprzedaży?

Czy kupimy rezystor do naszego oświetlenia o wartości rezystancji 20,85


pierwsza cyfra

druga cyfra

mnożnik (liczba zer)

tolerancja

trzecia cyfra

TWR

żaróweczka

kryptonowa

2,2V

0,47A

20,85

2018-02-27

25

SZEREGI REZYSTORÓW

Wartości rezystancji nominalnej są znormalizowane i tworzą szeregi liczbowe

oznaczone jako E3, E6, E12, E24 itd.

En n – określa liczbę wartości na dekadę

ogólnie:


nii aa 101

SZEREGI REZYSTORÓW

przykład

E6 n = 6


100...810,99...4678,1681068

68...986,68...4678,1471047

47...437,48...4678,1331033

33...291,32...4678,1221022

22...016,22...4678,1151015

15...678,14...4678,1101010

10 10

6

6

6

6

6

6



2018-02-27

26



20,85

szereg: E6 22 E12 22 E24 22 E48 21,5 E96 21 E192 20,8

żaróweczka

kryptonowa

2,2V

0,47A

20,85

REZYSTYWNOŚĆ

TAK

REZYSTYWNOŚĆ – rezystancja właściwa – określa stopień przeciwdziałania

przepływowi prądu przez materiał. Cecha każdego materiału przewodzącego.


2018-02-27

27

REZYSTYWNOŚĆ

z def.:

Rezystancja przewodnika wykonanego z jednorodnego materiału o przekroju poprzecznym 1 metra kwadratowego i

długości 1 metra.

oznaczenie: , jednostka: [m]

rezystancja:


S

lR

l

d

4

2dS

PODZIAŁ REZYSTORÓW

ze względu na funkcje:

a. stałe - stała wartość rezystancji

b. nastawne (potencjometry) – zmienna (regulowana) wartość rezystancji

c. półprzewodnikowe termistory (NTC,PTC), warystory, gausotrony, fotorezystory

ze względu na charakterystykę pradowo-napieciową:

a. liniowe

b. nieliniowe

ze względu na budowę:

a. drutowe

b. warstwowe

c. masowe (objętościowe)


2018-02-27

28

BUDOWA REZYSTORA

• drutowe – drut oporowy nawinięty na korpusie

– nikrotal (CrNi), kantal (CrAlFe), konstantan (CuNi) i inne

• warstwowe – warstwa oporowa naniesiona na korpus

– węglowe

– metalowe

• masowe – rezystor w całości (w całej objętości) jest wykonany z materiału oporowego (np. węgla)


http://zwarcie.prv.pl/rezystor.htm

Przykra rzeczywistość

• Elementy pasożytnicze rezystora rzeczywistego

CR - pojemność własna (zwana również upływnością),

LR - indukcyjność elementu oporowego

Ls1, Ls2 - indukcyjność wyprowadzeń


REZYSTOR RZECZYWISTY

http://zwarcie.prv.pl/rezystor.htm

2018-02-27

29

w Internecie

• artykuł o rezystorach http://www.eres.alpha.pl/elektronika/readarticle.php?article_id=2 – cz1.

http://www.eres.alpha.pl/elektronika/readarticle.php?article_id=3 – cz.2

http://www.eres.alpha.pl/elektronika/readarticle.php?article_id=382 – cz.3

• dla początkujących – katalog rezystorów i oznaczenia http://www.edw.com.pl/ea/rezystor.html

• podstawy elektroniki dla początkujących i zaawansowanych

http://www.edw.com.pl/index.php?module=ContentExpress&file=index&func=display&ceid=60&meid=13

• dla hobbistów

http://www.elektronika.ne555.bitmar.net/o_nas.htm


http://www.eres.alpha.pl/elektronika/readarticle.php?article_id=2



http://www.edw.com.pl/ea/rezystor.html





wydział informatyki, elektroniki i telekomunikacji katedra ... · elektronika – dziedzina...

Documents