Elektroonika alused (konspekt) (3)

1. PN- Siire ja tema omadused
1.1 Elektrijuhtivus pooljuhtides
Pooljuhid on materjalid, millised on elektri juhtide seisukohalt on juhtide ja isolaatorite vahepeal .
Pooljuhte on palju, kuid elektroonikas kasutatakse väheseid. Kõige olulisem pooljuht kaasajal on räni. Ajalooliselt esimene oli germaanium . Veel kasutatakse gallium -arseniidi (Ga As), räni-karbiidi (SiC) jne. ?hiseks oluliseks omaduseks kõikidele pooljuhtidele on nende kristalliline ehitus. Aine kristallilise ehituse korral on iga aine aatomil oma kindel asukoht st. nad moodustavad kristallvõre. Igale ainele on omane mingi kindel ja teistest erinev kristallvõre st. aatomite paiknemine .
Kui soovitakse ühtlast kristallvõret, siis ei tohi lubada aines lisandeid, sest lisandid tekitavad oma kristallvõret ja struktuur muutub. Kristallilisest ehitusest tulenevalt võime oletada aine elektronid võivad olla seotud kristall võrega. Täpselt võib see olla seotud sellega, et pooljuhtidega on kovalentsed sidemed. Teatavasti on stabiilse struktuuri jaoks on vaja väliskihti 8 elektroni. Pooljuhtidel on neid 4. Kovalentse sideme korral, aga laenatakse vastastiku elektrone nii, et tekivad 8-le elektroonilised orbiidid .

joonis. 8-elektroniline orbiit )
Kristallstruktuuris paiknevad elektronid võnguvad, kus juures võnkumiste amplituud sõltub temperatuurist. Mida kõrgem on temperatuur, seda suurem on võnkumiste amplituud ja seda suurem on elktronide energia. Sellise energia tõusu tulemusel võivad osa elektrone oma kohalt lahkuda ja käituvad edaspidi sõltuvalt mõjuvale elektri väljale (nad saavad laengukandjateks). Struktuurist lahkunud elektroni kohale jääb vaba koht, selle aatom omandab positiivse laengu. Seda kohta nimetatakse auguks ja teda võib vaadelda positiivse ühiklaenguna. Positiivse laengu toimel võidakse tõmmata auku mõni kõrval aatomi elektron ning tekib augu liikumine, mis on vastassuunaline elektroni liikumisele. Kirjeldatud olukorda, kus aines tekib võrdsel määral elektrone ja auke nimetatakse pooljuhi omajuhtivuseks. Seejuures mõlemad, elektronid ja augud tekitavad voolu, kuid nad liiguvad erisuundades. Elektronid liiguvad vastu elektrivälja suunda, aga augud elektrivälja suunas.
Kirjeldatud omajuhtivus ja vabade elektronide ja vabade elektronide hulk sõltub aine temperatuurist. Väga madalatel temperatuuridel on pooljuhid isolaatorid reaalsetel temperatuuridel (20C) on aga pooljuhtides vabu elektrone juba üsna palju ja seetõttu on ka materjali juhtivus märgatav.
Kasutades sobivaid lisandeid on võimalik tekitada pooljuhti laengu kandjaid ja suurendada selliselt juhtivust. Kasutatavad lisandid on kas 5 või 3 valentsed.
5 valentsed on As, Sb, P ja neid nimetatakse doonorlisanditeks 3 valentsed on In, Ga, B ja neid nimetatakse aktseptoriteks.
5 valentse lisandi ühele elektronile ei ole struktuuris kohta ja ta hakkab liikuma väiksemagi energia saabumisel. Sarnane olukord tekib 3 valentsete lisandite korral. 3 valentsed lisandid hakkavad põhjustama voolu.
Sõltuvalt sellest, millist lisandit on pooljuhi juhtivus suurendamiseks kasutatud räägitakse N või P-pooljuhist. N pooljuhti on tekkinud suur hulk vabu elektrone ja vool seal tekib elektronide liikumise tulemusel. P on tekitanud hulk auke ja seal tekkiv vool põhjustab aukude liikumist.
Praktiliselt on pooljuhtides üheaegselt nii lisand kui ka oma juhtivus. Seejuures on lisandjuhtivus suurem ja ta ei sõltu peaaegu temperatuurist. Omajuhtivus sõltub temperatuurist ja on pooljuht materjalide normaalne töötemperatuur lisandjuhtivusest 1000 korda väiksem. Kõrgendatud temperatuur (avarii olukorras) võivad need 2 juhtivust saada lähedasteks ja seetõttu on pooljuht seadistele lubatud madalad töötemperatuurid
Germaanium pooljuhil on Tmax 70 ?C-80?C
Räni pooljuhil on Tmax 70?C-105?C
Gallium areseniid pooljuhil 250?C
Tingituna kaheliigilisest juhtivusest on pooljuhtides kaks liiki laengu kandjaid. Need millised on ülemuses ja millest tuleneb pooljuhi nimetatakse enamus laengukandjateks, teised vähemus laengukandjad .
Enamuslaengukandjad on pärit lisandilt. Vähemus laengukandjad omajuhtivuselt. Tulemusena sõltub enamus laengukandjate vool mõnevõrra temperatuurist. Vähemus laengukandjad väga tugevalt temperatuurist.
Skeem on toodud P-pooljuhi põhiselt. N-pooljuhil on auk ja elektron skemaatiliselt vahetuses.
1.2 PN-Siirde omadused
Kui pooljuht kristalli juhtivusega tsoonid tekib PN-siire, mille omadused on aluseks enamikele pooljuht seadiste tööle. Taolised kristallid P-osas on suurem osa auke N osas, aga elektrone.

• 1.3 Temperatuuri toime PN siirde omadustele

Teatavasti on vähemus laengukandjad kõik pärit omajuhtivusest, mis sõltub väga tugevalt temperatuurist. Tekkiv vool aga sõltub laengukandjate hulgast, järelikult peab temperatuuri tõustes suurenema ka PN siirde vastuvool. Lihtsustatud reegli kohaselt suureneb vastuvool temperatuuri tõusu iga 10oC kohta 2 korda. Enamus laengukandjatest on samuti osa pärit omajuhtivusest, kuid omajuhtivusest pärinevate laengukandajte hulk on suhteliselt väike. Tulemusena mõjub temperatuuri tõus ka pärivoolule, kuid pärivoolus on voolu suurenemine suhteliselt väike. Tulemusena selgub et PN siirde ventiili omadused temperatuuri tõustes halvenevad. See asjaolu piirab pooljuht seadiste suurimat lugatavat töötemperatuuri.

1.4 PN siirde läbilöök

Kui suurendada vastupingestatud siirdele mõjuvat pinget siis tugevneb siirdes mõjuv elektriväli ning see elektriväli hakkab kiskuma ära tõkkekihis olevate aatomite elektrone. Tulemusena tekib vastuvoolu suurenemine, mis läheb üle laviini taoliseks, siire hävib. Nimetatud põhjusel ei tohi siirdele mõjuv vastupinge ületada teatud piirväärtust ja see väärtus peab olema läbilöögi pingest väiksem. Läbilöögi protsess sõltub ka temperatuurist. Kõrgematel temperatuuridel on vastuvool suurem ja mõjuva elektrivälja poolt kiirendatakse siiret läbiva vähemus laengukandjaid, need põrkuvad aatomitega ja löövad neilt välja täiendavaid elektrone, mis suurendab vastuvoolu ning sellise vastuvoolu suurenemine võib viia läbilöögini.

1.5 PN siirde sagedusomadused
Päri- ja vastusuuna reziimide kiirel vaheldumisel toimub laengukandjate ümber paiknemine P osast N ossa ja vastupidi. On ilmne, et see protsess võtab aega, järeikult ei saa tekkida vastusuuna takistus hetkeliselt ning tulemusena tekib vastupingelise poolperioodi algul tavalisest suurem vastuvoolu impulss . (joonis) Kui mingis pooljuht seadises kasutatakse PN siirde põhiomadust siis tuleb arvestada et siirde sagedus omadustel on alati mingi piir, seejuures see piir võib olla erineb sõltuvalt sellest, millist tehnoloogiat on kasutatud siirde kujundamisel.

1.6 Pooljuht dioodid

Pooljuht seadiseid mille põhiosaks on ühe siirdega pooljuht kristall nimetatakse pooljuht dioodideks. Seejuures jagunevad dioodid kahte suurde gruppi:
1. põhidioodid
2. eridioodid
Põhidioodid leiavad kasutust PN siirde põhiomaduses, see on ühesuunaline elektri juhtivus. Põhidioodidest enam levinud on alaldus dioodid, peale nende on veel kõrgsagedus dioodid, milles leiab kasutamist mingi teine PN siirde omadus peale põhiomaduse nagu näiteks PN siirde mahtuvuse muutus vastupinge muutumisel või valgus nähtused PN siirdes jne. (Stabilitronid, varikapid, valgusdioodid , fotodioodid jne.)
1.7 Alaldus dioodid
Alaldus dioodid on dioodid, mis on ette nähtud kasutamiseks alaldus lülitustes, selleks, et muundada võrgusageduslikku vahelduvpinget alalispingeks. Alaldusdioodide eriliigi moodustavad kõrgsageduslikud alaldusdioodid, millised leiavad kasutamist kõrgsageduslikkudes toiteblokkides, kus alaldatava pinge sagedus võib olla 20 KHz kuni 100 KHz. Alaldusdioodid on suure võimsuselised dioodid. Nende lubatavad pärivoolud on poolest amprist kuni tuhande amprini, lubatavad vastupinged kuni 3 KV. Dioode valmistatakse nii üksikelementidena kui ka komplektidena, mingiks kindlaks kasutuseks. Nii näiteks on levinud:

Dioodsillad, kus ühises korpuses paikneb neli dioodi (joonis 1)

Diood sambad, kus suurema vastupinge saamiseks on järjestikku ühte kesta ühendatud terve rida dioode (joonis 2)
Alaldusdioodide omadusi iseloomustatakse järgmiste parameetritega (joonis 3):

Suurim lubatav pärivool, see on pärivool kesk väärtus, mis võib dioodi läbida, ilma tema riknemiseta

Suurim lubatav vastupinge, see on lubatava vastupinge hetk väärtus. Selle ületamisel võib tekkida dioodis läbilöök.

Vastusuuna takistuse taastumise keskus. (trr) See on ajavahemik , mille vältel on dioodi vastutakistus saavutanud üheksakümmend protsenti oma maksimaalsest väärtusest.
Nimetatud kolm parameetrit on alaldus dioodi põhiparameetrid, kuna nende alusel toimub dioodide valik alaldus lülitusse. See juures vastusuunatakistuse taastumise keskus trr on oluline kõrgsagedus alaldusdioodide puhul. On veel parameetreid, milliste abil ei teostata küll dioodi valikut, kuid nad võivad olla vajalikud teatud olukordade arvestamisel:

Päripingelang. Selle päripinge abil on võimalik arvutada alaldi kasutegurit Päripinge lang on pärisuuna reziimis dioodil esinev pinge lang, kui dioodi läbib suurim lubatav pärivool. Tema väärtus sõltub dioodi tüübist ja on tavalistel räni dioodidel 0.7 kuni 1V. Schotchy dioodidel, millised leiavad kasutamist põhiliselt kõrgsagedus alaldites on ta 0.3 kuni 0.5V.

Suurim lubatav vastuvool IRmax. See on antud dioodi puhul suudim esineda võiv vastuvoolu väärtus, mille alusel toimub dioodide parakeerimine (reaalselt on vastuvool alati sellest väärtusest väiksem).
1.8 Stabilitron e. zener - diood
Zener-diood on ettenähtud töötamiseks läbilöögi reziimis, kui teda läbiv vool ei ületa lubatut (joonis 4).
Töötamisel selles piirkonnas, kui dioodi läbiv vool muutub miinimumist maksimumini muutub tema klemmi pinge väga vähe deltaUz võrra. Seda tööpiirkonda nimetatakse Zeneri piirkonnaks ja sellest ka dioodi nimetus. ?eldakse ka, et Zeneri piirkonnas on dioodi dünaamiline takistus väike (valem 1). Selline omadus võimaldab Zener dioodi kasutada stabiliseeriva elemendina (skeem 1 ja joonis5). Stabiliseeriva toime kasutamiseks ühendatakse stabilitron paralleelselt tarbijaga see on objektiga, millel soovitakse pinget stabiliseerida. Nendega järjestikku ?hendatakse, aga stabiliseerimis takistus. Kui sisendpinge on väike, kuni pingeni U1, kulgeb vool läbi stabiliseerimis takisti ja tarbija. Väljundpingel muutub koos sisend pingega, kuid pinge stabilitronil on jõudnud stabiliseerimis pingeni, siis tekkib läbi stabilitroni vool, mis hakkab kõige väiksematelgi pinge muutustel järsult suurenema. Sellega koos hakkab suurenema ka pinge lang stabiliseerimis takistusel ning väljund pinge muutub vähe (valem 2).
Stabilitrone valmistatakse väga paljudele erinevatele pingetele vahemikus 3-200V. Erinevatel stabiliseeritud pingete saamiseks tuleb valida sobiva Zener pingega stabilitron. Stabilitrone valmistatakse ka erinevatele vooludele. Väikevõimsusliste vool on kuni 50mA keskmise võimsuselistel kuni 200mA ja suure võimsuselisel kuni 5A.
1.9 Valgusdioodid e. LED
Valgusdioodid on pooljuht dioodid, millised pärisuuna reziimis kiirgavad valgust, kus juures kiirguv valgus on praktiliselt võrdeline teda läbiva pärivooluga. Valgus nähtused PN-Siirdes tekkivad siis, kui elektronid ja augud hakkavad rekombineeruma st. siis, kui elektronid sattuvad kristallvõres olevasse auku. Nüüd muutub vaba elektron seotud elektroniks, tal jääb energiat üle ja see energia kiirgub valgus kvandina, mille võnke sagedus sõltub ainest. Tavalistes dioodides juhtub reekombineerumisi suhteliselt harva ja see tõttu ei ole valgusnähtused praktiliselt märgatavad. Valgus dioodides on aga lisandite hulgad tavalistest suuremad ja seetõttu tekib reekombineerumisi sagedamini. Kasutatakse peamiselt galliumi ühendeid. Nii annab gallium-aseniit infrapunase kiirguse. Gallium-aseniit koos gallium-fosfiidiga punase oranzi või kollase värvi, gallium-nitrit, aga sinise kiirguse. Valgusdioodidele on iseloomulik suhteliselt suur siirde elektriväli, mis tõttu nad avanevad sõltuvalt tüübist 1.3-3V. Nähtava kiirguse tekkimiseks on vaja pärivoolu 1-5mA.
Valgusdioodide lubatavad vastupinged on väikesed ja ei ületa 3-5 volti. Juhul, kui valgusdiood töötab ahelas, kus võib tekkida ka vastupinge, tuleb kasutada kaitsedioode(skeem 1 14.09) Kaitsedioodiks VK on tavaline ränidiood(soovitavalt kiiretoimeline, mis avaneb siis, kui valgus dioodile hakkab mõjuma vastupinge). Tänu kaitsedioodile ei saa tõusta valgusdioodil vastupinge suuremaks kui kaitsedioodi päripingelang.
1.10 Fotodiood
Fotodiood on pooljuhtseadis, milles toimuvad elektrilised nähtused sõltuvad talle langevast valgusvoost. Fotodiood sisaldab PN-siirde kuhu võib tungida valgusvoog (joonis2 14.09). Selleks, et PN-siire oleks võimalikult suure pinnaga ja, et sinna saaks langeda võimalikult palju valgust on ülemine P-kiht kaetud väga õhukese läbipaistva kulla kihiga , millega saadakse väga hea kontakt ülemise P-osaga. Kahe erineva juhtivusega piirkonna vahel on tõkkekiht. Selles kihis laengukandjaid ei ole, kui sinna langevad valguskvandid tekitavad omajuhtivuse laengu kandjaid, kuna nende energia neeldub. Iga valguskvandi neeldumise kohas tekkivad laengukandjate paarid, see on üks elektron ja üks auk. Tõkkekihis mõjuva elektrivälja toimel liiguvad elektronid N-ossa ja augud P-ossa. Erinevatesse osadesse liikunud laengute toimel tekib klemmidel potentsiaalide erinevusel pinge. See juures, mida suurem on siirdele langev valgus voog seda suurem on klemmidevaheline pinge. Kirjeldatud viisil töötab päikese patarei, mida nimetatakse fotodioodi generaatori reziimiks.
Kui rakendada fotodioodile vastupingeline pingeallikas, mille pluss on ühendatud
N-osaga ja miinus P-osaga, siis eelneva reziimiga võrreldes tugevneb tõkkekihis elektriväljas, tõkkekiht laieneb ja valguskvantide neeldumise tõenäosus suureneb. Tulemusena tekkib rohkem laengukandjaid, kuna meil on vastusuuna reziim , siis tekkib valgustusest sõltuv vastuvool, milline on seda suurem , mida suurem on dioodile langev valgusvoog. Kirjeldatud reziimi nimetatakse fotodioodi reziimiks. Teda kasutatakse valguseandurites. Võrreldes generaatori reziimiga on tundlikus suurem ja ta reageerib kiiremini valguse muutustele.
Esimese osa lõpp
2. Toiteseadmed
2.1 Toiteseadme blokkskeemid
Toiteseadmete all mõistetakse muundus seadmeid, mille abil saadakse vahelduvvoolu võrgust saadud vahelduvpingest nõutava väärtusega ja kvaliteediga alalis pinget.
Vajadus toiteseadmete järele tuleneb sellest, et on terve rida tarbijaid , mis vajavad töötamiseks alasisvoolu nagu näiteks: elektroonika - ja arvutustehnika lülitused, elektriline transport jne. Seejuures vajalikud alalispinge ja voolu väärtused võivad olla küllaltki erinevad. Pinged mõnest voldist kuni kümnete kilovoltideni ja voolud mõnekümnest mikroamprist kuni kümnete tuhandete ampriteni. Trafo ülesandeks on muuta võrgupinget sel määral, et toiteseadme väljundis oleks nõutava suurusega alalispinge. Vastavalt vajadusele võib trafo olla nii pinget vähendav kui ka pinget tõstev. Peale selle võimaldab trafo alalisvooluliselt isoleerida toiteseadme vahelduvvoolu võrgust. Trafole järgneb alaldi ehk alalduslülitus, mis koosneb dioodidest. See on toiteseadme kõige tähtsam osa, mis ei tohi kunagi toiteseadmes puududa. Alaldi väljundis tekiv pinge on tugevasti pulseeriv, mis tõttu ta ei ole sageli otseselt kasutatav. Pulsatsiooni vähendamiseks on silufilter , mille ülesandeks on vähendada pulsatsioon tarbia poolt nõutavale tasemele. Stabilisaatori ülesandeks on hoida väljundpinge muutumatuna, võrgupinge ja väljundvoolu muutuste korral. Sõltuvalt konkreetsest olukorrast võib üks või teine blokk toiteseadmes puududa, kuid kunagi ei tohi puududa sealt alaldi.
Vaadeldud blokkskeemi nimetatakse klasikaliseks blokkskeemiks. Tema puuduseks on suhteliselt suur mass, mille määrab põhiliselt trafo. Eeliseks on, aga lihtsus ja töökindlus.
Seadmetes , kus on oluline võimalikult väike mass kasutatakse toiteseadmetes klassikalise blokkskeemi asemel sageduse muundamisega blokkskeemi (joonis). Võrgupinge alaldatakse ilma trafota alaldi abil. Saadakse alalispinge umbes 300. See alalispinge muundatatakse kõrgsageduslikuks vahelduvpingeks
20-100KHz. Saadud vahelduvpinge muudetakse trafos sobiva suurusega vahelduvpingeks, ning alaldatakse ja silutakse. Lülitus on keerulisem ja seetõttu ka vährm töökindel, kuid selle võttega väheneb toiteseadme mass kümme kuni kakskümmend korda. Peamine massi võit saadakse trafo arvelt, mis on väiksem ja kergem, mida kõrgem on sagedus. Taolised trafod valmistatakse toroidtrafodena kerituna ferrit rõngastele. Ka saadakse võitu silufiltrist, mis on seda lihtsam ja kergem, mida kõrgem on sagedus. Kasutades tagasisidet väljundi ja sagedus muundi vahel on võimalik panna muundi tööle ka stabilisaatorina nii, et taolise toiteseadme korral stabilisaatorit ei vajata.
Taolised toiteseadmed on massiliselt kasutusel arvutites ja televiisorites.
2.2 Alaldid
Kuna toiteseadmed erinevad teineteisest nii võimsuse kui ka väljundpinge ja voolude poolest, siis ei ole alaldite jaoks üht lahendust . Kasutatav alaldi lülitus sõltub sellest, milline peab olema väljundpinge pulsatsioon ja eristatakse pool ja täisperiood alaldeid. Poolperiood alaldis võimaldatakse voolu kulgemine väljundisse aladatava vahelduvpinge ühe poolperioodi vältel. Täisperiood alaldis, aga mõlema poolperioodi vältel.
Peale selle erinevad alaldi lülitused sõltuvalt sellest kas alaldatav pinge on ühe faasiline või kolmefaasiline. Kõige lihtsam alaldi on ühefaasiline poolperiood alaldi. Alaldatava pinge ajavahemikul t1 kuni t2 on pinge positiivne ja sellest tulenevalt saab (all järgneval skeemil) diood VD päripinge. Dioodile mõjub päripinge reziim ja see tõttu on dioodi takistus tunduvalt väiksem kui tarbia takistus ning praktiliselt kogu alaldatav pinge toimib väljundis.Täpsemalt väljundpinge on alaldatavast pingest dioodi päripingelangu võrra väiksem. Järgmisel poolperioodil , see on ajavahemikul t2-t3 muudab vahelduvpinge polaarsust . Diood läheb polaarsuse muutusest vastusuuna reziimi, kus dioodi takistus on palju suurem tarbia takistusest ja tulemusena ajavahemikul t2-t3 väljundis pinget ei ole.
Alalduslülitusi iseloomustatakse:
1. Alaldustegur - kus Ue on tarbijal toimiv alalispinge keskväärtus ja U2 on alaldatava pinge efektiivväärtus. Poolperioodalaldil on alaldus tegur 0.5. St, kui me alaldame 100V vahelduvpinget poolperiood alaldiga, siis saame väljundis see on tarbijal 45V alalispinget.
2. Pulsatsiooni tegur (joonis) - Alaldi väljundi saadav pinge on kõikuv, mida nimetatakse ka segapingeks, kuna ta sisaldab nii alalispinge komponendi ja vahelduv komponendi. Neid vahelduv komponente nimetatakse harmoonilisteks ja neid võib olla rohkem kui üks. Siin U1m on esimese harmoonilise amplituud väärtus ja UL alaliskomponent (keskväärtus). Poolperiood alaldi pulsatsioon tegur on suur p=0.57. Poolperiood alaldi puuduseks on väike alaldus tegur ja suur pulsatsiooni tegur. Tingituna suurest pulsatsioonist saab poolperiood alaldit kasutada harva , kuna tarbijad nõuavad väiksemat pulsatsiooni. Poolperiood alaldit kasutatakse toiteseadmetes, kus väljundvool ei ületa 5- 10mA . Sest väikseid väljundvoole on lihtsam siduda. Poolperiood alaldi eeliseks on lihtsus. Ühefaasilisi täisperiood alaldeid, kus vool läbi tarbija kulgeb alaldatava pinge mõlemal poolperioodil on kaks:

trafo keskväljavõttega lülitus

sild lülitus
Trafo keskväljavõttega(joonis1) alaldi koosneb kahest poolperiood alaldist, mis töötavad kordamööda erinevatel poolperioodidel ühisele koormusele. Esimesel poolperioodil (t1 kuni t2) on sekundaarmähiste ülemised otsad positiivsed VD1 viiakse pärisuuna reziimi ja vool kulgeb läbi dioodi VD1 ja tarbija. Järgmisel poolperioodil (t2 kuni t2) on mähiste polaarsus muutunud ning nüüd saab päripinge VD2 ning vool kulgeb läbi dioodi VD2 ja tarbija. Vool tarbijas kulgeb mõlemal poolperioodil ühes suunas ja nii saadaksegi täisperioodiliselt alaldatud vool, kus vool tarbijas kulgeb mõlemal poolperioodil alaldustegur Ka=0.45 pulsatsiooni tegur p=0.67.
Sildlülituses(joonis2) vajatakse nelja dioodi, kuid seevastu on trafo lihtsama ehitusega. Sildlülituses vajalike neljadioodilisi komplekte valmistatakse tablettidena(ühises korpuses), kusjuures nad ei ole kallimad kahest üksikust dioodist. Sildlülitus töötab järgmiselt:
Esimesel poolperioodil, kui sekundaarmähisel ülemine ots on positiivne ja alumine negatiivne kulgeb vool mähise ülemiselt otsalt läbi dioodi VD1, läbi tarbija, läbi dioodi VD2 mähise alumisele otsale. Järgmisel poolperioodil muutub mähiseotste polaarsus ja nüüd kulgeb vool sekundaarmähise alumiselt otsalt läbi dioodi VD3 läbi tarbija läbi dioodi VD4 mähise ülemisele otsale. Vool läbi tarbija kulgeb mõlemal poolperioodil samas suunas ja alaldist saadav pinge on samasugune nagu eelmisel lülituselgi.
Vaadeldud kaks lülitust annavad toiteseadme väljundist samasuguse pinge, erinevus on ainult dioodide arvus ja trafo ehituses. Keskväljavõttega lülituse trafo on keerulisem, kuna ta vajab kaht sekundaarmähist. Sildlülituse trafo on lihtsam (üks mähis jääb ära). Samal ajal jääb sildlülituses tarbijaga järjestiku kaks dioodi, millel mõlemal tekib pärisuuna pinge lang järelikult on sildlülituses sisemine pingelang suurem. Erinevus ei ole suur umbes 0.8V, kuid alaldite projekteerimisel tuleb sellega arvestada. Dioodide valik alalduslülitusse toimub kahe dioodi põhiparameetri alusel:

suurim lubatav pärivool Ifmax

suurim lubatud vastupinge Urmax
Poolperioodalaldil (valem)
Täisperioodalalditel (valem1) kuna vool tarbijas moodustub kahe dioodi voolu summana. Vastupinge suhtes on aga täisperioodlülitustel erinevusi.
Keskväljavõttega lülitusel Urmax=>2U2max, kuna vastupingestatud olukorras mõjub dioodile kahe sekundaarmähise pinge. Sildlülituse korral on aga mõjuv pinge(vastupinge) väiksem.

2.3 Alaldi töö mahtuvuslikule koormusele

Enamus toiteseadmeid sisaldavad silufiltri, mis sisaldavad alati kondensaatoreid. Kondensaatorid tekitavad mahtuvusliku koormuse ja muudavad üsna oluliselt alaldi dioodide töö reziimi. (joonis1 08.08.2019)
Alaldiväljundisse ühendatud kondensaatori toimel tekkib alaldis perioodiline kondensaatori laadimine ja tühjenemine. Laadimine algab ajahetkel t1, mil alaldatav pinge saab suuremaks kondensaatori pingest laadimine lõpeb ajahetkel t2. Ajahetkel t2 algab kondensaatori tühjenemine koormus takistusele. Uuesti algab laadimine järgmisel positiivsel poolperioodil ajahetkel t3, kui alaldatav pinge muutub uuesti suuremaks kui kondensaatori pinge. Töötamisel mahtuvuslikule koormusele on alaldi töös mitmeid olulisi erinevusi:

Väljundpinge muutumine on märksa väiksem kui aktiivtakistusliku koormuse korral. See tähendab, et väheneb pulsatsioon. Seejuures pulsatsiooni vähenemise määr sõltub kondensaatori mahtuvusest ja koormustakistusest, kui kondensaatori mahtuvus on suurem väheneb pulsatsioon enam ja sama tulemuse annab ka suurem koormustakistus . Taoliselt lülitatud kondensaatorit võib vaadelda ka silufiltrina.

Alaldi lülitamis hetkel on kondensaator tühi ja see on sama väärne lühisega väljundis. Läbi dioodi tekib väga tugev laadimisvoolu impulss, see võib kahjustada dioodi, kuna voolu piirab ainult alaldi sisetakistus , mis koosneb dioodi pärisuuna takistusest ja trafomähiste takistusest. Dioodid on arvestatud lühiaegsele ülekoormusele, kuid alaldite projekteerimisel kontrollitakse, kas valitud diood talub laadimisvoolu

Pärivoolu kestvus läbi dioodi on väiksem, kui kestvus läbi poolperioodi, see tekitab dioodile mõningase ülekoormuse, kui reeglina on sellega arvestatud.

Alaldatava pinge negatiivsel poolperioodil suureneb dioodile mõjuv vastupinge, sest alaldatava pingega jääb järjestiku eelmisel poolperioodil laetud kondensaator UR=U2m+UC1.5U2 See tähendab mahtuvusliku koormuse korral tuleb kasutada suurema lubatud vastupingega dioode.

2.4 Silufiltrid

Silufiltrite ülesandeks on vähendada alaldi väljundpinge pulsatsiooni nõutava tasemeni. See nõutav tase sõltub tarbija iseloomist. Nii näiteks: alalispinge mootorite toiteks piisab , kui pulsatsiooni tegur on 0.5, releeskeemide toiteks on nõutav pulsatsioon 0.2 kuni 0.3, lõppvõimendite toiteks võib pulsatsioon olla 0.05 eelvõimendite toiteks sõltuvalt signaali allikast 0.001 kuni 0.0001.
Silufiltrid jagunevad kahte gruppi:

Passiivfiltrid - nendes kasutatakse energiat salvestavaid elemente, milleks on kondensaatorid ja induktiivpoolid. Alaldatud pinge suurenemisel salvestatakse energia nendesse elementidesse, pinge vähenemisel juhitakse energia tarbijasse.

Aktiivfiltrid - neid nimetatakse ka transistorfiltriteks, toimub alaldatud pinge silumine transistori kui reguleeriva takistuse toimega.
Passiivfiltrid jagunevad omakorda kahte rühma RC- ja LC- filtrid . RC- filter koosneb ühest takistusest ja kondensaatorist(RC skeem). RC- filtri toime on sarnane alalditöötamisega mahtuvuslikule koormusele selle erinevusega, et kondensaatori laadimisega ei toimu mitte läbi alaldisisetakistuse vaid läbi filtri takistuse. Seetõttu toimub kondensaatori laadimine aeglasemalt ning pingemuutus laadimisel on väiksem. Pingemuutus tühjenemisel sõltub nii kondensaatori mahtuvusest kui ka tarbija takistusest. RC-filtri puuduseks on suhteliselt madal kasutegur kuna filtritakistusel tekib pingelang ning täiesti märgatav hulk energiat muutub soojuseks. Nimetatud põhjusel leiab RC-filter kasutust ainult väikeste koormusvoolude korral.
Silufiltri toime iseloomustatakse silumisteguriga, mis näitab mitu korda väheneb pulsatsioon silufiltri toimel q=Dsis/Dvälj. RC-filtri takistusel tekkiva pingelangu tõttu väheneb ka toiteseadme väljundpinge.
(LC skeem) LC-filter on märksa täiuslikum, kuna ta sisaldab kaht energiat salvestavat elementi: induktiivsust, mille klemmidel tekib voolumuutustest elektromotoorjõud (omainduktsiooni elektromotoorjõud) ning pinge suurenedes piirab see elektromotoor jõud voolu takistada pingevähenemisel püüab säilitada voolu. Peale selle on oluliseks erinevuseks RC-filtriga see, et alalispingeline pingelang induktiivpooli mähisel on väga väike. Seetõttu on LC-filtri kasutegur märksa kõrgem. Kondensaatori laadimine toimub läbi induktiivsuse, kondensaator tühjeneb tarbijale. Silufiltrite toimet võib vaadelda ka teisiti. Alaldatud pinge koosneb nii alalis kui ka vahelduv komponendist. Silufilter peab laskma alaliskomponendi võimalikult maksimaalselt läbi takistades samal ajal vahelduvkomponendi pääsu väljundisse. RC-filtri korral tekitatakse kondensaatori abil vahelduvkomponendile takistusel võimalikult suur pingelang ja see on seda suurem, mida väiksem on filtri mahtuvustakistus see tähendab, mida suurem on filtri kondensaatori mahtuvus. Alaliskomponendi kadu, aga sõltub filtritakistuse ja koormustakistuse suhtest. LC-filtri korral on filtritakistuse asemel induktiivpooli induktiivtakistus XL temal tekkiv vahelduvpingeline pingelang sõltub teda läbivast voolust seega filtri kondensaatori mahtuvusest kui ka induktiivpooli induktiivsusest. Peale selle sõltub induktiivpooli induktiivtakistus ka pulsatsiooni sagedusest ja seetõttu toimib LC-filter seda paremini, mida kõrgem on pulsatsiooni sagedus. Pulsatsioonisagedus on poolperioodalaldil 50Hz täisperioodalaldil 100Hz.

2.5 Pinget kordistavad alaldid

Kõrgemaid alaldatud pingeid on võimalik saada kahel viisil:

Kasutades pinget tõstvaid trafosid

Kasutades pinget kordistavaid alaldeid
(joonis1 26.10.06) Pingekordisti lülitusi on kaks paraleelkordisti ja järjestkikordisti. Paraleelkordistis
laetakse kondensaatorid erinevatel poolperioodidel nii, et kondensaatorid on laadimise ajal alaldatava pinge suhtes paraleelselt. Tarbija suhtes jäävad, aga laetud kondensaatorid järjestiku ja nii saab tarbija kahekordse pinge. (joonis 2) Järjestikkordisti töötsükel algab negatiivsest poolperioodist, kui trafomähise alumine ots on positiivne. Esimesel poolperioodil saab diood VD1 päripinge ja dioodi kaudu laetakse kondensaator C1. Järgmisel poolperioodil, kui mähise ülemine ots on positiivne mõjub dioodile VD1 vastupinge ta sulgub ja alaldatava pingega U2 jääb järjestiku eelmisel poolperioodil laetud kondensaator C1. Nüüd avaneb diood VD2 ning kondensaator C2 laetakse pingeni U2+UC1. Järjestik kordisti kaskaade võib lülitada järjestikku ka rohkem ning saada, siis enamakordset kordistamist. Kordistavate alaldite oluliseks puuduseks on see, et nad töötavad kondesaatorite laadimisele ja tühjenemisele, sellest tulenevalt sõltub väljundpinge väärtus küllalt
tugevalt koormusvoolust. Kui koormustakistus on väga suur, siis kujuneb väljundpingeks 2.8 U2-te, kuid mida väiksem on koormustakistus seda väiksem on ka väljund pinge.
Nimetatud põhjusel kasutatakse kordisteid praktikas ainult konstantse koormuse korral ja enamasti väiksemate voolude puhul (suuremate voolude puhul oleks vaja suuremaid kondensaatoreid).
Teise osa lõpp

3 Elektronkiire toru

3.1 Elektronkiiretoru ja tema kasutamise võimalusi

Elektronkiiretoru on elektrovaakum seadis, mida kasutatakse elektriliste nähtuste muundamiseks optiliseks kujutiseks. Nii kasutatakse teda laialdaselt ostsiloskoopides. Selleks, et jälgida elektriliste signaalide kuju. Neid kasutatakse ka televiisorites, kus antenni kaudu saabuvad kujutise signaalid muundatakse nähtavaks kujutiseks (joonis 1 uus). Elektronkiire toru kujutab endast enamasti klaasist lehtrikujulist kolbi, mille põhi on läbipaistev. Toru sisse tekitatud vaakum on vajalik selleks, et õhu molekulid ei takistaks elektronide liikumist. Elektronkiiretoru sisaldab elektron prozektorit, mis tekitab peene sobivalt kiirendatud elektronide joa. Hälvitussüsteemi ülesandeks on anda elektronkiirele selline liikumine, et kiire elektronid sattudes ekraanile tekitavad seal helenduse ja joonistavad ekraanil vajaliku kujutise. Elektron prozektor koosneb katoodist, tüürelektroodist e. Modulaatorist ja kahest või kolmest annoodist (joonis 2). Katoodi ülesandeks on tekitada elektronkiire moodustamiseks vajalike vabuelektrone. Need elektronid tekitatakse termoemissiooni teel.
Mida kõrgem on aine temperatuur, seda kiiremini liiguvad aines elektronid. Teatud temperatuuril läheb nende kiirus sedavõrd suureks, et osa elektronidest suudab ainest väljuda ning nende edasist käitumist mõjutab väljaspool katoodi toimiv elektriväli. Temperatuur, millest alatest suudavad elektronid ainest väljuda sõltub aine liigist ja seda omadust iseloomustab aine väljumis töö. See on vahemikus1.7 kuni 7 elektron volti (eV). Praktikas kasutatakse katoodi temperatuuri vähendamiseks katoodi pinna katmiseks baarium oksiidi. Selljuhul piisab katoodi kuumutamiseks 800 C. Katoodi kuumutatakse elektrivooluga, kusjuures kütteniit on katoodist isoleeritud (50Hz AC, 6.3 V).
Tüürelektrood e. Modulaatori ülesandeks on määrata kiire moodustamiseks minevate elektronide hulka. Modulaator kujutab endast katoodi ümpritsevat elektroodi, mille põhjas on ümmargune ava. Tüürelektroodile antakse katoodi suhtes negatiivne pinge, ja selle pinge muutmisega toimub elektronide hulga reguleerimine kiires. Anood koos tüürelektroodiga moodustavad fokuseerimis süsteemi, mille ülesandeks on anada elektronidele piisav kiirendus ja fokuseerida elektron kiir ekraanile. Kiirendav toime saadakse positiivse pinge andmisega anoodidele. Kasutatakse erineva anoodide arvu ja kujuga fokuseerimis süsteeme. Selleks, et tekiks fokuseeriv toime peab tekima tüürelektroodi ja anoodide vahel ebaühtlane elektriväli. See elektriväli kujundatakse ka diafragmadega (vaheseintega) ja sobivalt teelt kõrvalekaldunud elektronid satuvad anoodidele. Anoodide pinge väärtus sõltub kiiretoru suurusest ja tüübist ning on ostsiloskoobi torudel esimesel anoodil 200 - 500V teisel anoodil 1000 – 2000 V. Kineskoopides võib, aga teise anoodi pinge ulatuda kuni 25kV. Fookuse reguleerimine toimub esimese anoodi pinge reguleerimisega.
Hälvitussüsteemi ülesandeks on suunata elektronkiirt ekranilt sobival hetkel sobivasse kohta. Seda on võimalik teha, kas elektri või magnetvälja kaasabil. Vastavalt sellele on olemas elektrostaatilised ja magnetilised hälvitussüsteemid. Elektrostaatilistes hälvitussüsteemides kasutatakse elektrivälja toimet elektronidele(joonis 3), mis avaldub sellest, et elektron kaldub oma teelt positiivselt pingestatud plaadi poole, kuna elektronile mõjub jõud. Elektronide hälvitus nurk on seda suurem, mida tugevam on helvitusplaatide vaheline elektriväli (mida suurem on hälvitav pinge) ja mida pikem elektronide plaatide vahel viibimise kestvus. Selleks, et saada suuremat tundlikust pikendatakse plaatide vaheline viibimise kestvus sel teel, et tehakse hälvitusplaadid murtud kujuga(joonis 3.1). Selleks, et viia elektronkiirt ükskõik millisesse ekraanipunkti on vaja anda kiirele kaks ristisuunalist liikumist. Seepärast on elektrostaatilise hälvitussüsteemi korral kasutusel kaks teiniteisega risti asuvat hälvitusplaatide paari, millest üks paar annab elektronkiirele horisontaalse liikumise teine, aga vertikaalse liikumise.
Elektrostaatilise hälvitus süsteemi eeliseks on väike inerts , mis lubab teda kasutada ka väga suure sagedusega signaalide uurimisel . Puuduseks on, aga väike võimalik hälvitusnurk ( I2 > I1. Kuna kollektro vool sõltub emitter voolust, siis antakse väljund tunnusjooned tunnus sarjana (parvena), kus erinevad tunnusjooned on määratud erinevatel emittervooludel. Ühisebaasiga lülituse väljund tunnusjooned on väikese kalde nurgaga ja peaaegu paraleelsed. Väikses kaldenurgas avaldub suur väljundtakistus, mille põhjuseks on vastupingestatud kollektor -siire. Tunnusjoonte paralleelsus on lineaarsuse tunnuseks.
4.5.2 ÜE
Ühiseemitteriga lülituse sisend tunnusjoone on samuti sarnased PN-siirde pärisuuna tunnusjoonega. Põhjus on sama, kui ühise- baasiga lülitusel. Nendel tunnusjoontel on näha, et kui suurendada kollektorpinget, siis baasivool väheneb, see tuleneb sellest, et kollektorpinge suurenemisel laieneb kollektor-siirde tõkkekihi piirkond ja selle laienemise võrra muutub baas kitsamaks. Mida kitsam on baas, seda väiksem on baasivool.
Võrreldes ühisebaasiga lülitusega on ühiseemitteriga lülitusel väljund tunnusjooned suurema kalde nurgaga, mis osutab väiksemale väljundtakistusele. Ka ei ole väljund tunnusjooned nii paralleelsed kui ühisebaasiga tunnusjooned ja see osutab väiksemale lineaarsusele.
Sisend ja väljund tunnusjoontel on võimalik graafiliselt määrata transistori kui neliklemmi sisend- ja väljundtakistusi. Seejuures tuleb eristada takistusi alalis- ja vahelduvvoolule. Transistoris toimivad voolud on enamasti segavoolud, mis sisaldavad nii alalis- kui ka vahelduvkomponenti ja transistoride takistus nendele komponentidele on erinevad.
Sisendtakistus alalisvoolule on määratud alaliskomponendi pinge ja voolu suhtega. Talkistus vahelduvvoolule on, aga takistus pinge ja voolu muutustele, sest vahelduvvooluga kaasnevad alati pinge ja voolu muutused RsisDC=UA/IA RsisAC=U/I. Nõgusa tunnusjoone korral nagu see on sisend tunnusjoonel on takistus alalisvoolule suurem kui vahelduvvoolule. RväljDC=UCE/IC RväljAC=UCE/IC. Kumera tunnusjoone korral, nagu transistori väljundtunnusjoon on takistus alalisvoolule väiksem kui takistus vahelduvvoolule.
4.6 Transistori dünaamiline reziim
Transistori tunnusjooned iseloomustavad tema staatilist reziimi, kus muutuvad üheaegselt kaks suurust kolmas on, aga võetud muutumatuks. Nii iseloomustab sisend tunnusjoon sisendvoolu sõltuvust sisendpinges väljundpinge on seejuures eeldatavalt konstantne. Transistori tegelikus tööreziimis muutuvad, aga üheaegselt kõik voolud ja pinged, sest sisendpinge muutus põhjustab sisendvoolu muutuse, sisendvoolu muutus toob kaasa väljundvoolu muutuse ja väljundvoolu muutus väljundpinge muutuse. Taolise olukorra põhjuseks just väljundi poolel on transistoriga järjestikku lülitatud koormustakistus. Transistori kasutamise lülitust võib vaadelda kahest osast: lineaarsest osast, milleks on koormustakistus ja mittelineaarsest osast, milleks on tranistor.