Elektroonika alused (0)

 
Elektroonika alused
 
Elektroonikaseadmete koostaja erialale
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2007
 
SISUKORD
  24
I 25
U2 25
  25
VD2 25
  27
  28
  30
1 32
  34
  35
  38
  80
Mitmeastmelise võimendi korral 83
1. POOLJUHTIDE OMADUSI
 
1.1.Üldist
Pooljuhtseadised ja nende kasutamine oli eelmise sajandi tehnilise revolutsiooni  peasüüdlaseks. Nendeta ei oleks personaalarvuteid, mobiiltelefone ega palju muud sellist, mis tundub meile igapäevasena. Võime julgesti öelda , et  ilma pooljuhtseadisteta ei oleks praegust infoühiskonda.
Samal ajal tuleb meeles pidada , et pooljuhttehnika on poole sajandi jooksul  läbinud juba  mitu arenguetappi. On olnud germaaniumi ajastu, kus enamik pooljuhtseadiseid valmistati germaaniumist , järgnes räniajastu , mis jätkub senini ja mille raames algas massiline integraallülituste tootmine ja  kasutamine. Praeguseks on alanud  nanotehnoloogia ajastu , kus elementide mõõtmed pooljuhtkristallis lähenevad  nanomeetrile
 
1.2. Elektrijuhtivus pooljuhtides
Pooljuhtideks nimetatakse suurt  hulka aineid, mille elektrijuhtivus on elektrijuhtide ja isolaatorite vahepeal .  Elektrijuhtide mahueritakistus on vahemikus 10 -4 …10 –6  W cm , isolaatoritel 10 10…10 18  W cm. ja  pooljuhtidele jääb küllalt suur vahemik 10… 10 1   W cm.
Tuntumad  pooljuhid on germaanium , räni  , galliumarseniid jt . Tänapäeval kasutatakse kõige enam  räni.
Kõik põhilised  pooljuhtmaterjalid   kuuluvad Mendelejevi tabeli 4. rühma ja  neil on elektronstruktuuri väliskihis 4 elektroni , mis on pooljuhtidele tüüpiline.
    Kasutatavatele pooljuhtmaterjalidele on iseloomulik kristalliline ehitus. Kristallilise ehituse puhul  paiknevad kõik aine aatomid   ruumis kindlatel kohtadel ja on omavahel seotud . Pooljuhtide kristallstruktuuris on aatomid seotud kovalentsete ehk kaheelektroniliste sidemetega . On  iseloomulik , et  kovalentsetest sidemetest osavõtvad valentselektronid  kuuluvad  korraga  nagu  kahele aatomile . Seetõttu võib kujutleda , et aatomi välisorbiidil on kaheksaelektroniline stabiilne struktuur . Kirjeldatud  kovalentsete sidemetega struktuuri  kujutatakse skemaatiliselt joonise 1..1. kohaselt. Taolise struktuuri juures on kõik elektronid  tugevalt seotud tuumaga ja voolu  tekitavaid vabu elektrone ei esine.
 
 
 
Ühised valentselektronid
 
JOONIS 1.1.
 
Sellist ideaalset struktuuri omavad  keemiliselt puhtad  pooljuhid  absoluutse nulltemperatuuri juures
(-273 °C). Säärases olukorras on kõik pooljuhid isolaatorid. Väliste tegurite mõjul võivad aga väliskihi elektronid saada juurde energiat ja saadud lisaenergia arvel lahkuda oma kohalt struktuuris, kuna selleks vajalik lisaenergia on küllaltki väike (ränil 1,1 eV, germaaniumil 0,67 eV). Põhiliseks väliseks teguriks , mis soodustab juhtivuselektronide tekkimist, on temperatuur. Struktuurist lahkunud elektroni kohale jääb vaba koht. Seetõttu omandab aatom positiivse laengu, mille väärtus võrdub elektroni laenguga. Taolist vaba kohta nimetatakse auguks ja me võime teda vaadelda positiivse ühiklaenguna. Kuna auk omab positiivset laengut, võib ta tõmmata oma kohale struktuuris mõne kõrvalaatomi elektroni. Selle protsessi kordumisel auk nagu liiguks, kusjuures see liikumine on elektroni liikumisega vastassuunaline.
Rakendades pooljuhile elektrivälja, hakkavad vabanenud elektronid liikuma elektrivälja suunale vastu ja tekkinud augud elektrivälja suunas, nii nagu käituks positiivne ühiklaeng. Kirjeldatud nähtust aitab selgitada joonisel 1.2 toodud skeem. Joonisel tähtedega tähistatud ridades on aine struktuur erinevatel ajahetkedel. Võime jälgida, kuidas toimub augu liikumine esimesest aatomist viiendani.
 
JOONIS 1 2
 
Nagu joonisel toodud skeemil selgub , esineb üheaegselt nii elektronide kui aukude liikumine. Kui keemiliselt puhtas aines tekkib üheaegselt sama arv elektrone ja auke , nagu praegu kirjeldasime, siis on meil tegemist materjali omajuhtivusega Laengukandjaid on siin kahesuguseid ja eristatakse ka kahesugust juhtivust. Elektronide liikumisest tingitud juhtivust nimetatakse elektronjuhtivuseks ehk N-juhtivuseks (sõnast " negative "), aukude liikumisest tingitud juhtivust aga aukjuhtivuseks ehk P-juhtivuseks(sõnast " positive ").
Peale omajuhtivuse on sobivate lisandite lisamisega materjalile võimalik kunstlikult tekitada täiendavat - lisandjuhtivust. Lisanditest tingitud juhtivus on alati üheliigiline, s.t. kas elektron - või aukjuhtivus. Lisandjuhtivuse tekitamiseks lisatakse pooljuhtmaterjalile kas kolme- või viievalentseid lisandeid, mis peavad ise olema võimalikult puhtad  ja lisandite hulk peab olema selline, et säiliks ainele tüüpiline kristallstruktuur.
Vaatleme esmalt olukorda, kus põhiainele on lisatud viievalentset lisandit, milleks võib olla antimon (Sb), arseen (As) või fosfor (P) Viievalentse lisandi aatom võtab aine struktuuris endale koha analoogiliselt põhiaine aatomile, kuid tema ühele elektronile ei leidu struktuuris kindlat kohta (vt. joonis 1.3). Esialgu see elektron püsib aatomi mõjupiirkonnas, kuid väga väikesegi lisaenergia saamisel ta lahkub oma aatomi juurest ja muutub juhtivuselektroniks, alludes mõjuva elektrivälja toimele.
Vaadeldud juhul tekkis aines lisandi mõjul N-juhtivus. Aine juhtivus on nüüd suurem ja vool tekib aines elektronide liikumisena. Lisandina kasutatavaid N-juhtivust tekitavaid aineid nimetatakse
 
 
 
 
 
 
 
N-type semiconductor
Vaba elektron
Lisandi aatom (doonor)
 
JOONIS 1.3.
doonoriteks. Pooljuhti, kus lisanditega on tekitatud N-juhtivus, nimetatakse N-pooljuhiks
Vastupidine pilt tekib siis, kui lisanditena kasutada kolmevalentseid aineid, nagu boori (B), galliumi (Ga) või indiumi (In). Sel juhul jääb struktuuris üks elektron puudu. See koht võib aga täituda kõrvalaatomi elektroniga ja tekibki struktuuri auk (vt. joonis 1.4). Vool sellises pooljuhis tekib aukude liikumisena Seega tekitas kolmevalentne lisand aukjuhtivuse. Aukjuhtivust tekitavaid lisandeid nimetatakse aktseptoriteks
P–type semiconduktor
Auk
Lisandi aatom (aktsptor)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 1.4.
 
Üheaegselt lisandjuhtivusega esineb aines alati ka omajuhtivus , mistõttu materjalis leidub nii elektrone kui auke. Vastavalt kasutatud lisanditele on aga üks või teine ülekaalus, N-pooljuhis on ülekaalus elektronid ja nad on seal enamuslaengukandjateks ning seal leiduvad augud on vähemuslaengukandjateks; P-pooljuhis on aga vastupidi, enamuslaengukandjateks on seal augud ja vähemuslaengukandjateks elektronid. Kuna pooljuhtseadiste töös on vähemuslaengukandjad enamasti ebasoovitavaid nähtusi esilekutsuvaks põhjuseks, siis püütakse pooljuhtmaterjalide omajuhtivust võimalikult vähendada.
Kirjeldatust nähtub, et pooljuhtide elektrijuhtivus on oluliselt seotud nende ainete kristallstruktuuriga. Ideaalse kristallstruktuuri saamiseks peavad ained olema aga väga puhtad. Nii näiteks lubatakse enamiku seadiste lähtematerjaliks oleva omajuhtivusega pooljuhile  lisandeid vaid üks aatom tuhande miljoni põhiaatomi kohta (1/109). Samuti on piiratud ainesse viidavate lisandite hulk, et säiliks põhiaine struktuur. Lisandite lubatav kontsentratsioon on üks aatom kümne miljoni põhiaatomi kohta (1/107). Seega võime öelda, et pooljuhtseadiste valmistamise keerukas tehnoloogia algab eriti puhaste ainete saamisest.
 
1.3.P-N- siire ja tema alaldav toime (The P-N Junction )
Kui ühes pooljuhtkristallis tekitada kaks erineva juhtivusega osa, üks elektronjuhtivusega ja teine aukjuhtivusega, siis nende erinevate juhtivustega osade üleminekupiirkonda nimetatakse P-N-siirdeks. P-N-siirdes tekkivad nähtused ja tema omadused on enamiku pooljuhtseadiste töö aluseks. Praktiliselt saadakse selline olukord pooljuhtkristalli erinevate lisandite sisseviimise teel. Sellises kristallis on N-osas külluses elektrone ja P-osas külluses auke. Difusiooni (aine osakeste soojusliku liikumise) toimel hakkab taolises olukorras toimuma laengukandjate vahetus. Nimelt on N-osas hulk elektrone, milledel puuduvad struktuuris kohad. Need kohad on aga vabad kõrvalolevas P-osas. Sellises olukorras hakkavad elektronid soojusliku (difusioonse) liikumise tulemusena liikuma P-osas olevatele vabadele kohtadele. Laengute liikumise tulemusena saab P-osa laenguid juurde ja omandab negatiivse laengu, N-osa aga kaotab samapalju elektrone ja omandab seega positiivse laengu. Need laengud vahetuvad ainult piirkihis, sest difusiooni teel liikudes ei jõua laengukandjad kaugele ja seda liikumist hakkab takistama ka tekkiv elektriväli.
Joonisel 1.5. on selgitatud seda nähtust ruumilaengu tiheduse ja potentsiaalide erinevuse graafiku abil. Tekkivat potentsiaalide vahet nimetatakse potentsiaalibarjääriks
Kui aga on olemas erinimelised laengud ja potentsiaalide vahe, siis esineb ka elektriväli EPN , mis on suunatud N-osast P- ossa . Tekkinud elektriväli on aga suunatud laengukandjate liikumisele vastu ja laengukandjate liikumine ühest osast teise toimub seni, kuni nende endi poolt tekitatud elektriväli selle katkestab.
 
 
JOONIS 1.5
 
Olukorda võime vaadelda ka sellisena, nagu tekiks erinevate osade vahel isoleeriv tõkkekiht, sest piirikihis on ruumilaengu tihedus null, s.t. puuduvad voolu tekkimiseks vajalikud laengukandjad.
Kui ühendada P-N-siire pingeallikaga selliselt , et pingeallika plussklemm oleks ühendatud N-osaga ja miinusklemm P-osaga, siis on vooluallika poolt tekitatud elektriväli samasuunaline P-N-siirde elektriväljaga (vt. joonis 1.6). Elektriväljade liitu­ mise tõttu suureneb summaarne potentsiaalibarjäär veelgi. Samal ajal leiab aset ka enamuslaengukandjate liikumine (pingeallika elektrivälja mõjul) pingeallika klemmide poole ja ruumilaengu tihedus suureneb veelgi. Kuna elektriväli on nüüd siirdes eelne­vaga võrreldes veelgi tugevam, siis ei saa enamuslaengukandjad siiret  läbida. . Selliselt pingestatud siirde olukorda nimetatakse vastupingerežiimiks. P-N-siiret läbib vastupinge olukorras siiski ka  väga nõrk vool, mida nimetatakse vastuvooluks Vastuvoolu põhjustajaks on vähemuslaengukandjad , mis saavad mõjuva elektrivälja kaasabil siiret läbida Võime kujutleda ka, et siirde tõkkekiht muutub nagu paksemaks.
Reverse Biased Junction
 
JOONIS 1.6
 
Tingituna vähemuslaengukandjate piiratud kontsentratsioonist sõltub vastuvool siirdele rakendatud  vastupingest väga vähe. Vastuvool sõltub samuti ka materjalist.. Ränil on ta märksa väiksem kui germaaniumil.
Kui ühendada P-N-siire vastupidise polaarsusega pingeallikaga, siis on ka esinevad nähtused vastupidised (vt. joonis 1.7). Sel juhul on välise pingeallika poolt tekitatud elektriväli suunatud vastu P-N-siirde elektriväljale ja siirdes mõjuv elektriväli hakkab vähenema, muutub nulliks ja siis muudab koguni suunda. Samal ajal liiguvad enamuslaengukandjad siirde suunas, kuni laengud siirdes kaovad koos potentsiaali-barjääri kadumisega.
Forward-Biased
Junction
JOONIS.1.7.
 
Sellises olukorras hakkavad enamuslaengukandjad soodustatult läbima siiret ja kogu vooluringi läbib tugev vool. Selliselt pingestatud siirde olukorda nimetatakse ava- ehk pärisuunarežiimiks ja esinevat voolu ava- ehk pärivooluks. Seega näeme, et P-N-siirdel on ventiili omadus - juhtida voolu ühes suunas. P-N-siire ongi sellest omadusest tulenevalt pooljuhtdioodide põhiosaks. Eri materjalidel on potentsiaalibarjäär erinev ja sellest tulenevalt algab ka pärivool erinevatel pingete väärtustel. Joonisel 1.8 on toodud räni ja germaaniumi P-N-siirete pinge-voolu tunnusjooned, P-N-siiret võime vaadelda ka kui muutva takistusena elementi, mille takistus oleneb rakendatud pingest (joonis 1.9). Päripingel on siirde takistus väike, vastupinge korral aga suur.
 
 
IF
Läbilöögi Pinge. UBR
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 1.8.
 
 
R
 
JOONIS 1.9
 
1.4. P-N siirde omaduste sõltuvus temperatuurist (Temperature Effects )
Nagu eespool märgitud, on lisanditeta pooljuht absoluutsel nulltemperatuuril dielektrik . Lisanditega pooljuht on aga ka sellises olukorras küllaldase juhtivusega. Seetõttu võiks P-N-siire töötada väga madalatel temperatuuridel . Tehnoloogilistel ja konstruktiivsetel põhjustel loetakse enamiku pooljuhtseadiste alumiseks töötemperatuuripiiriks -60 C°. Temperatuuri tõusuga omandavad elektronid suurema energia ja  omajuhtivus suureneb. Lisandjuhtivus sõltub samuti teataval määral temperatuurist. Mingi temperatuuri juures on lisandid ära andnud kõik oma laengukandjad ja edasise temperatuuri tõusuga lisandjuhtivus enam ei suurene. Samal ajal aga suureneb pidevalt omajuhtivuse laengukandjate arv, kuni omajuhtivus saab lisandjuhtivusest suuremaks . Säärases olukorras kaob potentsiaalibarjäär ja kaob P-N-siire koos ventiiliomadustega. Toodud põhjustel on pooljuhtseadiste töötemperatuur piiratud. Lubatav töötemperatuur sõltub materjalist ja on räni puhul 120...200 C° (germaaniumil 70...90  C°). Kirjeldatud nähtus avaldub P-N-siiret läbiva voolu suurenemises temperatuuri tõusmisel. Seejuures on vastuvoolu suurenemine tugevam, kuna kõik vastuvoolu põhjustavad laengukandjad on pärit omajuhtivusest, pärivoolu suurenemine on aga palju väiksem kuna vaid väike osa pärivoolu põhjustavatest laengukandjatest on pärit omajuhtivusest.
P-N-siirde tunnusjoon erinevatel temperatuuridel on toodud joonisel 1.10. Vastuvoolu sõltuvus temperatuurist on eksponentne. Vastuvoolu suurenemise hindamiseks võime kasutada järgmist reeglit: vastuvool suureneb temperatuuri tõustes 8..10 C° võrra kahekordseks. Pärivoolu suurenemine avaldub ka siirde päripingelangu vähenemises.
 
JOONIS 1.10.
 
1.5. P-N-siirde omaduste sõltuvus sagedusest
P-N-siirde talitus sõltub ka rakendatud pinge sagedusest. Sagedust piiravaks teguriks on põhiliselt
P-N-siirde inerts. Kui siirdele mõjub päripinge, siis tõkkekiht puudub. Kui aga rakenduv pinge muudab polaarsust, siis tekib tõkkekiht.
 
JOONIS 1.11
 
Tõkkekihi tekkimine ei toimu aga momentaalselt, vaid alles mõne hetke möödumisel. Kui tõkkekiht ei ole veel kujunenud, siis läbib siiret vool ka negatiivse poolperioodi algul (joonis 1.11). Kirjeldatud nähtus ilmneb kõrgetel sagedustel vastuvoolu suurenemisena. Aega, mis kulub tõkkekihi taastamiseks pinge polaarsuse muutumisel, nimetatakse taastumiskestuseks ja selleks loetakse ajavahemikku, mille jooksul vastutakistus saavutab 90% oma väärtusest pärast ümberlülitumist päripingelt vastupingele.
 
1.6. P-N-siirde läbilöök (Breakdown)
P-N-siirde pärisuunarežiim on piiratud suurima lubatava pärivooluga. Lubatav pärivool sõltub siirde mõõtmetest ja kasutatud materjalist. Vastusuuna režiim on aga piiratud suurima lubatava vastupingega. Selle pinge ületamisel võib tekkida P-N-siirde läbilöök ja tema omaduste kadumine. Suurim lubatav vastupinge on määratud siirde vastusuuna pinge-voolu tunnusjoonega (joonis 1,12).
P-N-siirde läbilöök võib toimuda kahel põhjusel:
1)  põrkeionisatsiooni mõjul;
2)  elektronide ja tuumade sidemete puruksrebimise tõttu tugeva elektrivälja toimel.
Põrkeionisatsioon võib tekkida vastuvoolu tekitavate laengukandjate kiirenda­misel elektrivälja toimel. Kui need laengukandjad omandavad elektrivälja toimel küllaldase kiiruse, siis võivad nad hakata põrkumisel ioniseerima aine aatomeid, millega kaasneb laengukandjate arvu suurenemine laviinitaolise protsessina. Elektronide ja tuuma sidemete purustamine leiab aset elektrivälja küllalt suurel tugevusel (germaaniumil 105 V/cm, ränil 106 V/cm), kuid kuna P-N-siire on väga õhuke, siis esineb see nähtus reaalsete pingete juures enamasti üheaegselt põrkeionisatsiooniga.
 
JOONIS 1.12
 
Kuna temperatuuri tõustes suureneb vastuvool, siis suureneb ka põrkeionisatsiooni tõenäosus ja selle tulemusena temperatuuri tõusuga läbilöögipinge väheneb. Kuna läbilöögi puhul esinevad voolud võivad olla küllaltki suured, siis kaasneb läbilöögiga ka enamasti siirde hävimine.
2. POOLJUHTDIOODID (Diodes)
 
2.1. Pooljuhtdioodide liigid
Pooljuhtdioodid on pooljuhtseadised, mille põhiosaks on pooljuhtkristalli tekitatud P-N-siire, mis on varustatud eri osadega ühendatud viikudega ja paigutatud standardsesse hermeetilisse kesta. Kest võib olla kas klaasist, plastist või metallist. Metallkesti kasutatakse reeglina suurevoolulistel dioodidel ja tavaliselt on see parema jahutuse võimaldamiseks ühendatud dioodi katoodiga.
Kasutusel on olnud erinevaid dioodide liigitusi , praegu on enamlevinud dioodide liigitus lähtudes nende kasutusalast. Kui dioodis leiab kasutust P-N-siirde põhiomadus s.o. ühesuunaline elektrijuhtivus ehk ventiili toime, nimetatakse neid dioode põhidioodideks ehk lihtsalt dioodideks. Kui aga leiab kasutust mõni P-N-siirde eriomadus, nagu näiteks P-N-siirde mahtuvus , siis on tegemist eriotstarbeliste dioodidega. Põhidioodideks on alaldusdioodid ja lülitidioodid (ka universaal ja impulssdioodid). Eriotstarbelistest dioodidest on enamlevinud stabilitronid (zenerdioodid), mahtuvusdioodid , valgusdioodid, fotodioodid.
Dioodide põhiparameetrid on järgmised:
1.   suurim lubatav pärivool Ifmax, mis antakse dioodi tüübist sõltuvalt kas keskväärtusena, maksimaalväärtusena või impulssvooluna, viimasel juhul antakse ka impulsi kestus;
2.   suurim lubatav vastupinge U rmax , niis antakse tavaliselt maksimaalväärtusena;
3.   pingelang pärirežiimis Uf,- antakse  suurimal pärivoolul,
4.   suurim alalisvastuvool IRmax, mis on suurim lubatav vastuvool antud vastupingel;
5.   vastutakistuse taastumiskestus trr, niis on ajavahemik päripingelt vastupingele lülitamise hetkest kuni hetkeni, mil ümberlülitumisel kujunev vooluimpulss kahaneb etteantud väärtuseni (vt. joonis 2.1). Sõltuvalt konkreetsest dioodi kasutusotstarbest võidakse kasutada veel teisi parameetreid.
 
JOONIS 2.1
 
2.2. Alaldusdioodid ( Rectifier Diode )
Alaldusdioodid on ette nähtud vahelduvvolu muundamiseks alalisvooluks toite otstarbel . Seega on nad suurevoolulised dioodid , mille lubatav pärivool on mõnesajast milliamprist sadade ampriteni. Dioode, mille lubatav pärivool on suurem kui 10A, nimetatakse ka jõudioodideks. Sageli valmistatakse alaldusdioode dioodsildadena, kus sildülitusse ühendatud dioodid on paigutatud ühisesse kesta. Samuti kõrgepingeliste sammastena, kus on lubatava vastupinge suurendamiseks on ühendatud järjestiku hulk siirdeid (dioode)..
Lubatav vastupinge ulatub alaldusdioodidel sadadest tuhandete voltideni. Töösagedused, sõltuvalt konkreetsest  kasutusalast  võivad  ulatuda sadade kilohertsideni. Sellest tulenevalt liigitavad mõned firmad alaldusdioode vastusuunatakistuse taastumiskestusest sõltuvalt tavalisteks, kiireteks ja ülikiireteks alaldusdioodideks. Nendest tavalistel taastumiskestust trr ei normeerita, kiiretel on see >100 ns ja ülikiiretel 45°), ning vooluimpulss lühike, teisel juhul on j=45 ning alaldatakse veerand ehk pool poolperioodi, ning kolmandal juhul avatakse türistor üsna poolperioodi algul ja tarbija pinge on maksimaalne.
Samal põhimõttel võib pinge reguleerimist teostada ka täisperioodalaldis sõltumata sellest kas on ühe või kolmefaasiline alaldi .
Peale reguleeritavate alaldite kasutatakse trioodtüristore väga laialdaselt veel kontaktivabade lülititena, eriti tugevvoolutehnikas. Nende kasutamine vahelduvvoolu ahelates on suhteliselt lihtne, kuna türistori avamiseks (sisselülitamiseks) tuleb anda tüürelektroodile avamisimpulss, positiivse poolperioodi lõppedes ta lülitub aga välja, kuna poolperioodi lõpul väheneb vool hoidevoolust väiksemaks. Nende kasutamisel alalisvooluahelates on vaja täiendavaid ahelaid, mille abil viiakse vool väljalülitumishetkel hoidevoolust väiksemaks.
  Teise näitena vaatleme sümmistori ehk TRIAC-I kasutamist vahelduvpinge reguleerimisel. Taolised regulaatorid on levinud hõõglampidega valgustite valgustugevuse reguleerimisel .Joonisel 6.12. toodud põhimõtteskeemil on vahelduvvoolu ahelas hõõglamp H lülitatud järjestikku TRIAC-iga V1. Tüürelektroodi ahelas on DIAC  V 2 ja kondensaator C laadimistakistusega R ( takistid Rs ja R1 on voolu piiramiseks).
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 6.12.
 
TRIAC-i avamisimpulss saadakse DIAC-i läbivast voolust , kui temaga ühendatud kondensaatori pinge saavutab DIAC -i lülitumispinge. Avanemishetk sõltub laadimistakisti R liugkontakti asendist. Kui takisti R on minimaalses asendis saavutatakse vajalik pinge kondensaatoril üsna poolperioodi algul ja lamp põleb heledalt. Suurendades laadimistakisti väärust saabub lülituspinge poolperioodi keskel , voolu keskväärtus väheneb ja hõõglambi heledus väheneb. Kuna DIAC avaneb mõlema polaarse pingega, siis toimub samasugune protsess ka järgmisel poolperioodil , kui kondensaatorit laetakse negatiivse pingega Reguleerimise käigus tekkivad TRIAC-i vooluimpulsid on järsu frondiga ja seepärast tekitavad taolised regulaatorid ka raadiohäireid ja neile lisatakse  häirefilter..
 
6.8. Türistoride tähistamine
Nii nagu teistel pooljuhtelementidel, kasutatakse ka türistoridel tüüpkorpusi..
Tähistussüsteemidest toome siin Euroopa ja Vene türistoride tähistussüsteemid
Euroopa tähistus koosneb neljast elemendist. Esimene element on täht, mis määrab kasutatud materjali: B - räni. Teine element on kahetäheline, millest esimene täht määrab seadise liigi: T - reguleer- ja lülitusseadised, teine täht aga kasutusala: X - tööstusaparatuuris kasutamiseks. Kolmas element on kahe- või kolmekohaline number, mis on seadise registreerimisnumbriks. Kolmanda elemendi järel on side­kriips. Neljas element näitab seadise lubatavat vastupinget voltides. Näit. B TH 10-200 on tööstusotstarbeline ränitüristor, registreerimisnumbriga 10 ja lubatava vastupingega 200 volti .
Vene tähistussüsteem on väikese (kuni 20 A) ja suurevõimsuslistel türistoridel erinev. Väikesevõimsuslistel türistoridel koosneb tähis neljast elemendist. Esimene element on täht või number, mis määrab kasutatud materjali: K või 2 - räni. Teine element on täht, mis määrab seadise liigi: H - dioodtüristor, Y - trioodtüristor. Kolmas element on number mis määrab täpsemalt liigi ja võimsuse: 1 - pärivool kuni 0,3 A, 2-pärivool kuni 10 A, 7 - pärivool kuni 20 A, 3 ja 4 - suletavad GTO türistorid, 5 - DIAC-id, 6 - TRIAC-id. Neljas element on number, mis on seadise registreerimis-number. Viies element on täht, mis määrab teisendi. Näit. KY210A on ränitüristor pärivooluga kuni 10 A, registreeimisnumbriga 10, teisend A.
Suurevõimsusliste türistoride tähis koosneb kuuest elemendist. Esimene element koosneb ühest või kahest tähest, mis määrab seadise liigi: T - türistor, TC - sümistor, T3 - suletav türistor. Teine element on number, mis on modifikatsiooni järjekorra­numbriks. Kolmas element on number, mis määrab kinnituse keerme ja võtme mõõtme (näit. 1 - keere M8, võti 11). Neljas element on ühekohaline number, mis määrab konstruktsiooni: 1 - paindväljaviikudega, 2 - jäikväljaviikudega, 3 - tabletikujuline. Viies element järgneb sidekriipsule ja näitab pärivoolu amprites. Kuues element järgneb samuti sidekriipsule ja näitab lubatavat impulss -vastupinget sadades voltides. Näiteks TC122-20-5 on sümistor, kinnitusvariant 2, jäikväljaviikudega, pärivoolule 20 A, lubatava vastupingega 500 V,
 

 

7. VÕIMENDID
 
7.1. Võimendite liigid ja neid iseloomustavad parameetrid
Võimendiks nimetatakse seadet mille abil toimub signaali amplituudi suurendamine võimalikult väikeste signaali kuju moonutustega.
 
Võimendi
E
Uvälj
Usis
+
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.1.
 
Võimendil on alati kaks sisend -, kaks väljundklemmi ja temaga peab olema ühendatud alati energiaallikaks olev alalispinge allikas (joon 7.1). Sisendklemmidega ühendatakse signaaliallikas mille signaal vajab võimendamist. Väljundklemmidega aga ühendatakse see tarbija, millele antakse võimendatud signaal, milleks võib olla kas valjuhääldi, mingi relee mähis, mingi täiturmehhanismi juhtmähis jne. Nimetatud  objektid on elektriliselt vaadeldavad takistustena ja seepärast me räägime üldistatult võimendi koormustakistusest.
Võimendusprotsess toimub alati toiteallika energia arvel ja sellest seisukohast võiks võimendit vaadelda kui regulaatorit, mis reguleerib toiteallika energia andmist tarbijale kooskõlas sisendsignaali muutustega.
Võimendite analüüsi seisukohalt vaadeldakse aga võimendusprotsessi  aseskeemide abil, kus alalispingelist toiteallikat isegi ei näidata,  küll kajastuvad seal aga kõik muud elemendid, kaasaarvatud ka parasiitelemendid, mis mõjutavad signaali võimendust.
Võimendeid liigitatakse mitme tunnuse alusel. Nii liigitatakse sõltuvalt kasutatavast võimendus- elemendist. Võimenduselemendiks saab olla element, mille väljundvool sõltud lineaarselt sisendpingest või voolust. Sellisteks elementideks on eelkõige transistorid . Sellest lähtudes on: transistorvõimendid, integraalvõimendid, elektronlampvõimendid, magnetvõimendid jne.
Töörežiimist ja konstruktsioonist sõltuvalt jagatakse võimendeid eel- ja lõppvõimenditeks. Eelvõimendite väljund on ühendatud järgneva astme sisendiga, lõppvõimendite väljund on aga ühendatud koormustakistusega.
Väga levinud on võimendite liigitus sõltuvalt kasutusalast ja  amplituudi-sageduskarakteristiku s.o võimenduse sagedussõltuvuse kujust
 
20Hz
20kHz
f
K
0,7K0
K0
0,7K0
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.2.
a) Madalsagedus- ehk helisagedusvõimendid
Helisagedusvõimendid on ettenähtud helisageduslike signaalide võimendamiseks ja sellest tulenevalt on nende sageduslik tööpiirkond umbes 20Hz – 20kHz, sõltuvalt kasutusalast ja heli taasesituse kvaliteedi nõuetest (joon.7.2).
b)Alalispingevõimendid
 
f
fK
K
 
0,7K0
K0
 
 
 
 
 
JOONIS 7.3.
 
Alalispingevõimendid on ettenähtud nõrkade alalispingeliste signaalide võimendamiseks. sellest lähtudes saab võimendi alumine sageduspiir olla võrdne ainult nulliga, ülemine sageduspiir peab aga olema mõni kiloherts, kuna alalispinge signaalis  esineb ka kiireid muutusi, milliseid on samuti vaja võimendada. Võimendi peab suutma reageerida ka nendele kiiretele muutustele ja selleks ongi vajalik suhteliselt kõrge ülemine sageduspiir (joon.7.3).
Alalispingevõimendid kasutatakse eelkõige automaatikas, kuna on terve rida andureid mille signaaliks on suhteliselt nõrk alalispinge nagu näiteks termopaar, mis sõltuvalt temperatuurist ja materjali valikust arendab pinget 5‑50 mV. Reeglina on selliste andurite signaalid ka väikesevõimsuselised ja nende kasutamiseks tuleb neid paratamatult võimendada.
c) Ribavõimendid
Ribavõimendi on ettenähtud mingi kitsa ja suhteliselt rangelt määratud sagedusvahemikus olevate signaalide võimendamiseks (joon.7.4) Sõltuvalt kasutusalast on see niinimetatud läbilaskeriba erinev ja ta võib olla nii madal- kui kõrgsageduspiirkonnas. Enamasti leiab selline võimendi kasutamist teatud sagedusega signaalide eraldamiseks ehk selekteerimiseks.
fk
f
fm
K
Δf
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.4.
 
Võimendeid iseloomustatakse järgmiste parameetritega:
a)    Võimendustegur,
- on suhtarv mis näitab mitu korda võimendi toimel väljundsignaali amplituud suureneb.
Eristatakse pingevõimendustegurit, vooluvõimendustegurit ja võimsusvõimendustegurit..
 
Ki = Ivälj / Isis, Ku = Uvälj / Usis, Kp = Pvälj / Psis.
 
Mitmeastmelise võimendi korral
 
Küld = K1 K2…Kn ,
 
kus  K1…Kn on vawstavalt üksikute astmete võimendustegurid.
Peale suhtarvu võidakse väljendada võimendustegureid ka logaritmiliste ühikutes ehk detsibellides[dB ]
 
 
Erandiks on võimsusvõimendustegur, mis .
b)   Võimendatav sagedusriba , on signaali sageduste piirkond mille ulatuses võimendi arendab ettenähtud võimendust.  Piirsagedusteks loetakse  neid sagedusi (fm ja fk) millel võimendustegur on langenud 30% (joon.9.5) võimendusest keskmistel sagedustel (K0). Võimendatavat sagedusala nimetatakse ka läbilaskeribaks ja tähistatakse sageli B0,7
fm
fk
f
K
0,7K0
K0
0,7K0
 
Δf=B07
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.5
 
c)Väljundvõimsus Pvälj, on signaalisageduslik võimsus mida võimendi arendab tarbijal
Väljundvõimsus võib olla antud kas kesk- või impulssvõimsusena.
Väljundparameetriteks võib olla ka väljundpinge või väljundvool.
d)Nominaal ehk nimisisendsignaal Usis; Psis. on signaali pinge või võimsus mille juures  võimendi on võimeline arendama tarbijal nõutavat pinget või võimsust. Tavaliselt on see signaali amplituudväärtus millele võimendi on arvutatud.
e) Sisendtakistus Rsis on takistus, millega võimendi koormab signaaliallikat . On soovitav , et võimendi sisendtakistus oleks võimalikult suur, sest mida suurem on sisendtakistus seda vähem koormab võimendi sisendsignaali allikat. Sisendtakistus moodustub mitmete tegurite koosmõjuna, millest määrav on kasutatava võimenduselemendi sisendtakistus s.t. kasutatav võimenduselemendi liik
.h)Väljundtakistus Rvälj on võimendi väljundi kujuteldav sisetakistus , sest kujuteldavalt on võimendi väljundis signaali sagedusega generaator , milline tekitab signaali sagedusega väljundsignaali ja väljundtakistus on selle generaatori sisetakistus. On soovitav, et generaatori sisetakistus oleks võimalikult väike, sest mida väiksem on generaatori sisetakistus seda rohkem me võime generaatorit koormata ilma, et tekiks pingelangu sisetakistusel, millega kaasneb signaali kadu.
Elektrotehnikast on teada, et generaator arendab tarbijal maksimaalset võimsust siis kui tarbija takistus võrdub generaatori sisetakistusega ehk väljundtakistusega. Sellele niinimetatud sobitustingimusele tuleb elektroonikas pöörata sagedast tähelepanu, sest tegemist on nõrkade signaalidega ja on vaja, et need nõrgad signaalid kanduksid võimalikult kadudeta astmelt astmele.
 
7.2. Võimendamisel tekkivad moonutused
Võimendusprotsessis tekivad paratamatult signaali moonutused, kuid need ei tohi ületada lubatud piiri. Tekkivaid moonutusi on kahte liiki: lineaar - ehk sagedusmoonutused ja mittelineaar- moonutused.
Lineaarmoonutused tekivad lülituses leiduvate reaktiivelementide toimel, mille takistus sõltub sagedusest. Nendeks on kondensaatorid ja induktiivsused. Osa neist elementidest on lülitusse viidud kindla eesmärgiga, osa aga tekivad parasiidselt (Nt: trafode puisteinduktiivsused või ahelate -vahelised parasiitmahtuvused). Selliste elementide toime tulemusena võimendatakse erineva sagedusega signaale erineval määral. See toime avaldub nii signaali amplituudi (joon.7.6), kui ka faasi muutustes (joon.7.7).
K=f(f)
 
K
f
 
 
 
 
 
 
 
.            fm           fk
 
JOONIS 7.6
 
Amplituudi muutused kajastuvad võimendusteguri sagedussõltuvuses ja seda sõltuvust  nimetatakse amplituudi-sageduskarakteristikuks (joon.7.6). Faasimuutused kajastuvad faasi–sageduskarakteristikul (joon.7.7).
Inimkõrv ei taju faasimoonutusi ja seepärast ei ole helivõimendite puhul faasimoonutused olulised. Küll on need aga olulised automaat-reguleerimissüsteemi kuuluvatel võimenditel, kus sellised moonutused võivad oluliselt mõjutada süsteemi stabiilsust.
j
f
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.7
 
Sagedusmoonutuste määra iseloomustatakse võimendusteguri muutumisega piirsagedustel ja seda väljendatakse sagedusmoonutuste teguriga .
M = K0 /K,
kus K0 on võimendus kesksagedusel ja K võimendus piirsagedusel
Oluliseks tunnuseks on see, et sagedusmoonutuste toimel signaali kuju ei muutu (muutub signaali amplituud ja faas).
IB (IE)
IB
Usis
UBE
t
t
A
 
JOONIS 7.8.
Mittelineaarmoonutustel aga vastupidi, moonutub signaali kuju ja selle põhjuseks on võimenduselementide mittelineaarsus. Kõik teadaolevad võimenduselemendid on vähemal või enamal määral mittelineaarsed, kusjuures see mittelineaarsus võib olla erinevatel töörežiimidel erinev.
    Tunnusjoonte mittelineaarsuse tõttu võimendatakse signaali eri osi (erinevaid hetkväärtusi) erinevalt ja selle tulemusena muutub siinuseline signaal mittesiinuseliseks (joon.7.8).
    Elektrotehnikast on teada, et mittesiinuselised pinged ja voolud (signaalid) on vaadeldavad harmooniliste (siinuseliste) signaalide summana. ja seega on mittelineaarmoonutuste tekkimine vaadeldav ka uute harmooniliste lisandumisega signaalile, ning nende hulk põhiharmoonilise suhtes ongi mittelineaarmoonutuste määraks. Mittelineaarmoonutuste hulka iseloomustatakse mittelineaarmoonutuste teguriga.
kus I1 – põhiharmoonilise (1.harmoonilise) amplituud;
       I2 – teise harmoonilise amplituud jne.
Kvaliteetse heliülekande puhul ei lubata mittelineaarmoonutusi üle 1%, vähemkvaliteetsemal 3‑5%.  Kõne ülekandel võidakse lubada moonutusi kuni 8%. Üle 10% moonutuste korral muutub ka kõne halvasti arusaadavaks.
7.3 Mitmeastmelised võimendid
 
Enamasti ei piisa võimendis ühest astmest, vaid vajaliku võimendusteguri saamiseks tuleb lülitada mitu astet järjestikku. Seejuures tuntakse erineva sidestusviisiga mitmeastmelisi võimendeid.
 
7.3.1. RC sidestus
On enamlevinumaks  sidestuseks (joon.7.9) kus, signaal juhitakse ühest astmest teise RC ahela kaudu, milline laseb läbi vahelduvpingelise signaali, kuid ei lase läbi alalispinget, eraldades selliselt astmed teineteisest alalisvooluliselt. Astmete alalisvooluline eraldamine võimaldab sõltumatult fikseerida tööpunkt igas astmes eraldi.
RE1
CE1
RB
RC1
+E
–E
RE2
CE2
R1
RC2
 
R2
CS1
CS2
Usis
VT2
VT1
CS3
 
 
 
 
 
Uvälj
 
 
 
 
 
JOONIS 7.9.
 
Sidestusahelana toimiva RC ahela takistuseks on järgneva transistori sisendtakistus koos temaga paralleelselt jäävate tööpunkti fikseerimise  takistustega. Mahtuvuseks   aga on spetsiaalselt selleks skeemi lisatud sidestuskondensaatorid  CS
See kondensaator on selleks elemendiks mis määrab vaadeldava     võimendi alumise sageduspiiri. Mida madalam sagedus seda suurem on mahtuvustakistus Xc ja seda suurem kondensaatoril tekkiv signaalisagedusega pingelang, seega mida suurema mahtuvusega on sidestuskondensaatorid, seda madalam on võimendi alumine sageduspiir. Praktiliselt mõjutab sageduspiiri ka ahela takistus , täpsemalt tema suhe sidekondensaatori mahtuvustakistusega, kuid kuna need takistused on praktiliselt määratud juba tööpunkti valikuga, siis saame alumist sageduspiiri mõjutada ainult sidekondensaatori valikuga. Võimendi ülemise sageduspiiri määravad kasutatava transistori sagedusomadused (täpsemalt fb ja fT). Kuna vaadeldud RC ahela takistused on küllaltki väikesed (kW-des), siis on kasutatavate sidekondensaatorite mahtuvused suhteliselt suured.
 
 
+E
–E
RS
CS
CS1
RD
 
RG
CS2
Usis
Uvälj
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.10.
 
Kasutades väljatransistore (joon.7.10), mida sageli tehakse sisendastmetes, on astma sisendtakistus tuhandeid kordi suurem ja sellest tulenevalt on seal ka  sidestuskondensaatori mahtuvus vastavalt tuhandeid kordi väiksem
 
7.3.2.Otsene sidestus
Otsese sidestuse korral (joon.7.11) on sidestusahel ära jäetud ja ühendatud eelmise astme kollektor vahetult järgmise astme baasiga. Sellise ühendamise korral on  oht, et kui eelmise astme kollektorpinge on   küllalt kõrge, siis tema toimel järgmise astme transistori baasile ,võib see minna küllastusse ja võimendi lakkab võimendamast. Kui aga eelmise astme kollektor pinge on sobivalt madal, siis võib selline võimendi töötada. Seejuures ilmnevad eelised:
 
RE1
CE1
R1
RC1
+E
–E
RE2
CE2
RC2
 
CS1
Usis
VT2
VT1
CS3
R2
UBE2=
UCE1
Uvälj
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.11.
 
1) elemente on vähem
2) sagedusmoonutused on väiksemad , kuna  sidestuskondensaatoreid on vähem
Eripäraks on see, et esimese astme tööpunkti fikseerimine, mis määrab esimese astme kollektorpinge alaliskomponendi, paneb paika ka teise astme tööpunkti. Peale selle, kõikvõimalikud tööpunkti mittestabiilsused esimeses astmes kanduvad võimendatult edasi ja seepärast tuleb esimese astme tööpunkt võimalikult rangelt stabiliseerida. Nagu juba nimetatud, peab lähtetööpunkt olema kõrge, et vältida liiga kõrget kollektorpinge alaliskomponenti.
See asjaolu muudab voolutarbe seisukohalt otsese sidestuses võimendi väheökonoomseks, sest toiteallikast tarbitav vool on suur. Sellest  saab üle kui kasutada vaheldumisi N-P-N ja P-N-P transistore (joon.7.12.).
 
RE1
CE1
R1
RC1
+E
–E
RE3
CE3
RC3
 
CS1
Usis
VT3
VT1
CS2
R2
URC2=
UBE3
Uvälj
RC2
CE2
RE2
VT2
URC1=
UBE2
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.12.
 
Sellises lülituses on võimalik kasutada esimeses astmes madalat lähtetööpunkti, kuna tööpunkti määravaks pingeks ei ole mitte kollektori ja emitteri vaheline pinge, vaid kollektortakisti pingelang, milline on madala tööpunkti puhul väike.
Teiseks võimaluseks on kasutada sidestuselemendina ränidioode (joon.7.13), mille tunnusjoone pärisuuna kujust tulenevalt, on dioodi alalispingelang tunduvalt suurem kui vahelduvpingelang ja lülitades kollektori ja baasi vahele 2 ränidioodi on nende alalispingelang 1,3…1,4 Volti, vahelduvpingelang aga ainult mõni kümnendik volti. Eriti laialt on see võte levinud mikroelektroonikas.
 
RE1
CE1
R1
RC1
+E
–E
RE2
CE2
RC2
 
CS
Usis
VT2
VT1
R2
Uvälj
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.13.
 
Praktiliseks probleemiks otsesesidestuse võimenditel on ikkagi stabiilsus, sest esinevad mittestabiilsused võimendatakse järgnevates astmes. Sel põhjusel ei ühendata praktiliselt otseses sidestuses enamat kui 3…4 astet, samal ajal on aga otsese sidestuse võimendi praktiliselt ainsaks võimaluseks mikroskeemidena teostatud võimendites, sest integrallülituste sisse pole võimalik tekitada suuremahtuvuslisi kondensaatoreid. Nende lisamine väljastpoolt on aga tülikas.
 
7.4. Lõppvõimendid
Lõppvõimendite erinevuseks eelvõimenditest on see, et nad töötavad mitte kollektortakistusele, vaid reaalsele koormusele, mis on samuti vaadeldav elektrilise takistusena. Seejuures on lõppvõimendi ülesandeks arendada tarbijas maksimaalset signaalisageduslikku võimsust. Selle nõude täitmine on aga võimalik ainult sel juhul, kui võimendi väljundtakistus ja tarbija takistused on sobitatud . Nimetatud nõude täitmine ei olegi nii lihtne, sest astme väljundtakistus oleneb transistori tüübist (tema võimsusest) ja on reaalselt mõnekümnest W-ist mõnesaja W-ini. Reaalne koormustakistus sõltub tarbijast ja on vahemikus mõnest W-ist tuhandete W-ideni (valjuhääldi takistus 2-.30W  .; relee mähise takistus 3-4kW). Seega on sobitatud režiimi võimalik saada ilma trafo abita vaid erandjuhtudel. Selleks, et tagada sobitus kõikvõimalikel koormustakistustel on ideaalseks võimaluseks kasutada väljundis sobitustrafot.
 
7.4.1. Trafosidestus lõppvõimendi
Trafosidestuse korral (joon.7.14) kandub koormustakistus primaarpoolele niinimetatud ülekandetakistusena mille väärtus sõltub trafo ülekandetegurist
 
kus n on trafo ülekandetegur.
 
 
 
 
 
RE
CE
R1
R2
+E
–E
Rt
 
CS
Usis
VT1
T1
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.14.
 
. Kui meil koormustakistus on astme väljundtakistusest väiksem, tuleb kasutada pinget vähendavat trafot, kui suurem, siis  pinget tõstvat trafot.
 
 
 
IC
UCE
A
IB1
IB2
IB3= IBA
IB4
IB5
E+e
E-e
Uvälj
E
R`t
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.15.
 
Seejuures astme analüüsiks tuleb dünaamilistel tunnusjoontel arvestada ülekandetakistusega, kusjuures erinevuseks on see, et reaalselt kollektori ahelas takistus puudub ja signaali puudumisel on transistori töörežiim määratud baasivoolu ja toitepingega (punkt A joon.7.15).
Kui signaali toimel hakkab muutuma kollektori vool, siis indutseeritakse trafo mähistel emj, mille polaarsus muutub koos voolu muutustega ja kollektori ja emitteri vaheline pinge muutub nii, et nimetatud emj kord liitub, kord lahutub toiteallika pingest. Seetõttu: trafosidestus võimendusastmes kollektori ja emitteri vaheline pinge võib olla suurem toitepingest. Kui taolisel võimendil tekib tarbija poolel katkestus ( tähendab Rt võrdub lõpmatusega), siis pöörab koormussirge horisontaalseks, ning signaali negatiivsel poolperioodil indutseeritakse primaarahelas väga kõrge emj, milline liitudes toiteallika pingega võib põhjustada nii lõppastme transistori, kui ka väljundtrafo läbilöögi.
Vaadeldud lõppvõimendi puuduseks on suhteliselt madal kasutegur (astme kasuteguri all mõistetakse väljundvõimsuse ja tarbitava võimsuse suhet), mis ei ületa reeglina 30%-i, ka töötab väljundtrafo alalisvoolulise eelmagneetimisega, mille põhjustab kollektorvoolu alaliskomponent ja see eelmagneetimine halvendab trafo magnetahela tööd ning selle kompenseerimiseks tuleb trafo südamik valida suurem. Tulemusena kasutatakse selliseid lihtsaid lõppvõimendi lülitusi ainult mõnevatiste väljundvõimsuste korral.
 
7.4.2. Vastastaktlülituses lõppvõimendi
Vastastaktlülituse põhimõte seisneb selles, et signaali erinevad poolperioodid võimendatakse erinevate transistoride poolt, ning eri transistoride poolt võimendatud signaali poolperioodid liidetakse kokku väljundtrafos nii, et tarbija saab normaalse signaali.
+
+
E
E1
U1
U2
Usis
VT1
VT2
iC1
iC2
 
Usis
U1 ,U2
IC1
IC2
Ivälj
t
t
t
t
U1
U2
+(–)
–(+)
+(–)
–(+)
–(+)
+(–)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.16
 
Põhiliseks erinevuseks tavalise lõppvõimendiga on see, et transistori lähtetööpunkt valitakse siin sulgerežiimi piirile (või selle lähedale). Selle tulemusena väheneb tunduvalt tarbitav vool ja suureneb astme kasutegur. Sisendtrafo (joon.7.16) või  faasipöördelülituse poolt tehakse sisendsignaalist 2 võrdset, kuid vastasfaasis signaali, millest üks antakse ühele, teine teisele transistorile. Selle tulemusena hakkavad transistorid tööle korda mööda. Kui sisendsignaali esimesel poolperioodil mõjub positiivne signaal transistori VT1 baasil ja läbi selle transistori kulgeb kollektori vool, siis samal ajal on VT2 baasil signaali negatiivne poolperiood , ning ta on suletud. Järgmisel poolperioodil transistoride režiimid vahetuvad, s.t. VT1 on suletud ja VT2 võimendab signaali. Eri transistoride kollektori voolud põhjustavad väljundtrafos erisuunalisi magnetvooge ja seetõttu saadakse tarbijal normaalne vahelduvsignaal.
On ilmne, et selline lülitus töötab hästi ainult sel juhul, kui lülituse mõlemad õlad on samasuguste omadustega, nii et signaali mõlemaid poolperioode võimendatakse võrdselt. Selleks peab mõlemal transistoril
h21E1 = h21E2   ja   Ico1  =  Ico2.
 
Peale transistori omaduste võrdsuse peavad olema ka väljund- ja sisend -trafo võimalikult sümmeetriliselt valmistatud. Vastastaktlülituse põhieelis tuleneb madalast lähtetööpunktist ja väiksemast tarbitavast voolust. Seetõttu suureneb kasutegur 70%-ini. Peale selle on sama väljundvõimsuse korral võimalik kasutada väiksemavõimsuselisi transistore (tõsi neid läheb 2 tükki). Täiendavaks eeliseks on see, et võimenduselementide mittelineaarsuse toimel tekkivad teised harmoonilised , mis avalduvad kollektorvoolus, tekitavad väljundtrafos vastassuunalisi magnetvoogusid,  mis kompenseerivad teineteist ja seetõttu kaob signaali teine harmooniline ja mittelineaarmoonutused on väiksemad.
E1
E2
+
+
Rt
R1
VT1
R2
R3
R4
VT2
Usis
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.17.
 
Kuna trafod on tülikad ja kallid elemendid, siis püütakse läbi saada ilma trafodeta. Sisendtrafot on võimalik asendada elektroonikalülitusega mida nimetatakse faasipöördelülituseks. Väljundtrafost on võimalik loobuda ainult siis, kui kasutatavate transistoride väljundtakistus ja koormustakistus on lähedased. Praktiliselt on see võimalik heliseadmetes, kui koormustakistuseks on 8 W valjuhääldi.
Kui kasutada kahte toiteallikat ja kujundada skeem natuke ringi nii, et VT1-el vahetada toiteallika ja koormustakistuse kohad (joon.7.17), siis tekib olukord kus eri transistoride voolud tekitavad koormustakistuses erisuunalisi voole. Ja kui eeldada, et eri transistorid võimendavad signaali erinevaid poolperioode, siis saamegi tarbijas voolu signaali mõlemal poolperioodil. Lülituse puuduseks on vajadus kahe toiteallika järele.
On võimalik läbi ajada ka ühe toiteallikaga, kui kasutada joon.7.18 toodud  lülitust .
Sisendsignaali esimesel poolperioodil saab positiivse poolperioodi VT1 baas, transistor avaneb ja  kollektori voolu toimel toimub ka kondensaator C laadimine ja kui järgmisel poolperioodil transistor VT1 suletakse ja VT2 avatakse, siis eelmisel poolperioodil  laetud kondensaator hakkab nüüd toimima pingeallikana ja tekkib normaalne kollektori vool, milline läbib tarbijat eelmise poolperioodiga võrreldes vastassuunas , see tähendab, saame tarbijal normaalse vahelduvvoolulise signaali. Kasutatav kondensaator peab olema piisavalt suur mahtuvusega, vähemalt 500mF või suurem. Kui kondensaatori mahtuvus ei ole piisav, tekivad madalal sagedusel mittelineaarmoonutused, sest kui poolperiood on pikk, siis ei suuda kondensaator hoida pinget ja pinge hakkab poolperioodi keskel langema , ning selle tulemusena ei jälgi ka väljundvool enam sisendsignaali kuju.
 
E
Rt
+
C
R1
VT1
R2
R3
R4
VT2
Usis
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.18.
 
Kasutades vastastaktlülituses üheaegselt N-P-N ja P-N-P transistore, kaob vajadus sisendtrafo ja faasipöördelülituse järele, sest kui N-P-N transistori baasil toimib sisendsignaali positiivne poolperiood on transistor avatud. Samal ajal see poolperiood on aga P-N-P transistorile sulgevaks ja signaali eri poolperioodide toime jaotub automaatselt transistoride vahel. Taolised lülitused on toodud joon.7.19.
Rt
Usis
E1
E2
VT1
VT2
Rt
Usis
E
VT1
VT2
+
+
+
 
C
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.19.
7.5. Tagasiside võimendites.
 
7.5.1. Tagasiside liigid ja nende toime võimendi omadustele
Tagasisideks nimetatakse sellist võimendi töörežiimi, kus osa väljundpingest juhitakse tagasisideahela kaudu tagasi sisendisse nagu näidatud joon.7.20.
 
 
Tagasiside ahel
Võimendi
U´sis
Usis
Rt
Uts=βUvälj
Uvälj
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.20.
 
Kui tagasisidepinge on sisendsignaaliga samas faasi (liituvad), siis on tegemist positiivse tagasisidega , kui vastasfaasis (lahutuvad), siis on tegemist negatiivse tagasisidega. Lisaks sellele põhiliigitusele liigitatakse tagasisidet järjestikuliseks ja paralleelseks, see tähendab, kas tagasisidepinge ja sisendpinge liituvad sisendis   järjestikuliselt (joon.7.20) või paralleelselt (joon.7.21) ja pinge ja voolutagasisideks
 
 
Tagasiside ahel
Võimendi
Usis
Rt
Uts
Uvälj
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.21.
 
 
 
Tagasiside ahel
Võimendi
Usis
Rt
Rts
Uts=β Uts
Uts=Ivälj Rts
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.22.
 
Sõltuvalt sellest kas skeemitehnilisest lahendusest tulenevalt on tagasisidepinge võrdeline väljundpingega (joon.7.21) või võrdeline väljundvooluga (joon.7.22).
Peale toodud liigituse liigitatakse veel tagasisidet tahtlikuks ja parasiitseks. Tahtlik tagasiside on loodud seadme projekteerimisel, eesmärgiga mõjutada soovikohaselt võimendi omadusi. Parasiitne tagasiside tekib seadmeis vastu soovile, parasiitahelate kaudu, milleks võivad olla ahelatevahelised parasiitmahtuvused, trafode puisteinduktiivsused ja toiteallika sisetakistus. Parasiitne tagasiside mõjutab samuti võimendi omadusi, kuid see võib sageli olla ettenägematu ja ebasoovitava suunaga, kuna ta avaldub ja ilmneb alles seadme valmimisel.
Tagasiside kasutuse eesmärgiks on üldiselt võimendi omaduste muutmine vastavalt soovile. V aatame tema toimet võimendi võimendustegurile . Negatiivse tagasiside korral
 
ehk
jagame mõlemad pooled U'sis
saame
, sest –tagasiside tegur. Tulemusest näeme, et negatiivse tagasiside korral võimendustegur väheneb.
Positiivse tagasiside korral ja seega võimendustegur suureneb.
Vaatamata sellele, et võimendus negatiivse tagasiside korral väheneb, on just põhiliseks kasutatavaks tagasiside liigiks negatiivne tagasiside, sest vaatamata võimendusteguri vähenemisele kõik kvaliteedinäitajad paranevad. Nii näiteks vähenevad mittelineaarmoonutused ja lineaarmoonutused ( laieneb võimendatav sagedusriba), suureneb sisendtakistus ja paraneb võimendusteguri stabiilsus. Väga laialdaselt kasutatakse negatiivset tagasiside just mittelineaarmoonutuste vähendamiseks. Sel puhul haaratakse negatiivse tagasisidega  lõppaste või kaks viimast astet. Mittelineaarmoonutuste vähenemine sel juhul on lihtsalt seletatav .       Tagasiside ahelast tulnud harmoonilised, kui mittelineaarsusproduktid, satuvad sisendis samade harmoonilistega vastufaasi ja kompenseerivad teineteist. Võimenduse langus negatiivse tagasiside korral aga kompenseeritakse võimenduse   suurendamisega eelvõimendis, kuna seal väikese signaali amplituudi tõttu praktiliselt mittelineaarmoonutusi ei teki.
Negatiivse tagasiside korral on teatavasti tagasisidepinge sisendpingega vastufaasis, selle toimel väheneb sisendpinge tagasisidestamata võimendi klemmidel ja kui väheneb sisendpinge, väheneb ka sisendvool ja see on samaväärne sisendtakistuse suurenemisega.
Kui suureneb mingil põhjusel väljundvool, siis põhjustab see pingelangu suurenemise väljundtakistusel ja väljundpinge väheneb. Väljundpinge vähenemisel väheneb ka tagasisidepinge ja nüüd suureneb tagasisidestamata võimendi sisendpinge ning suureneb väljundvool, mis on samaväärne väljundtakistuse vähenemisega.
Positiivse tagasiside korral võimendustegur suureneb. Juhul kui  1-bK  läheneb ühele, muutub võimendus lõpmata suureks. Sellist tagasisidet nimetatakse kriitiliseks tagasisideks, ta leiab kasutamist generaatorites, sest taolises režiimis hakkab võimendi arendama väljundpinget ilma sisendpingeta.
 
7.5.2. Tagasiside lülitused
Lihtsaima negatiivse tagasiside lülituse saame, kui jätta ära emittertakistusega paralleelselt olev kondensaator (joon.7.23). Emittertakistusel tekkiv pingelang on võrdeline väljundvooluga ja seega samas faasis sisendpingega. Ta jääb järjestikku sisendpingega ja vähendab vastavalt tegelikku baasi ja emitteri vahelist sisendpinget.
 
 
RE
Uts
RE
RC
VT
UEB=U´sis
+E
Usis
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.23.
 
 
R2
R1
RE
VT
+E
Usis
–E
Vaadeldav tagasiside on seega negatiivne tagasiside, ta on järjestikune tagasiside, kuna tagasiside pinge on sisendsignaali suhtes järjestikku ja ta on voolu tagasiside, kuna tagasisidepinge on võrdeline väljundvooluga.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.24.
 
Paralleelse pingetagasiside saame, kui juhime astme väljundpinge, s.o. kollektorilt võetava pinge pingejaguri R1, R2 kaudu tagasi transistori baasile (joon.7.24). Seejuures tekkiv tagasiside on negatiivne tagasiside, sest võimendusaste pöörab signaali 180°. See tagasiside on paralleelne tagasiside, kuna sisendsignaali ja tagasiside on teineteise suhtes paralleelselt. Tagasiside tugevus sõltub vaadeldaval juhul takistuse R1 ja R2 suhtest .
Sageli haaratakse tagasisidega rohkem kui üks aste (joon.7.25).
 
CS2
R1
RC1
+E
–E
RE2
RC2
 
CS1
Usis
VT2
VT1
R2
Uvälj
Rts
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.25.
 
Mitut astet haaravate tagasiside tekitamisel tuleb hoolega jälgida signaali faasi suhteid, sest iga aste pöörab signaali faasi 180°. Vaadeldaval juhul saadakse tagasiside signaal teise astme emitteri takistuselt, milline juhitakse takistuse Rts kaudu esimese astme baasile.
Vaadeldav tagasiside pinge on sisendpinge suhtes pööratud 180° (esimene aste pöörab 180° ja teise astme emitterilt võetud signaali faasinihe võrdub 0°). Järelikult saame vaadeldaval juhul negatiivse tagasiside.
 
7.5.3. Emitterjärgur
Emitterjärgur (joon.7.26) on sajaprotsendilise tagasisidega võimendusaste, kus kogu emittertakistusel tekkiv väljundpinge antakse tagasi sisendisse. Sellest tulenevad ka taolise võimendusastme omadused: tal on suur sisendtakistus, väike väljundtakistus ja ta ei arenda pingevõimendust (Ku = 1).
 
 
R2
+E
–E
RE
 
CS
Usis
VT
R1
Uvälj
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.26.
 
Täpsemalt, tema väljundpinge on 0,6 V võrra sisendpingest väiksem (emittersiirde pingelangu võrra),
Rsis = h11e +h21e RE  ja
Rvälj = h11e + Ri / h21e,
kus Ri on signaaliallika sisetakistus.
Tänu oma omadustele, kasutatakse emitterjärgurit sobitusastmena, suure väljundtakistusega võimendusastme ja väikese koormustakistuse või väikese sisendtakistusega võimendusastme vahel.
Sisendtakistuse reaalseks väärtuseks väikesevõimsuslistel transistoridel on kuni 100 kΩ    ja väljundtakistuseks 30…100 Ω    sõltuvalt lülituselementide parameetritest.
Tööpunkti fikseerimiseks on lihtsaim ja sobivaim kasutada baasi pinge fikseerimise lülitust. Enamasti valitakse takistused R1 = R2 nii, et lähtetööpunktis on emittertakistusel pingeks umbes ½ E ja saame suurima võimaliku tüürimisulatuse, Väiksemate sisendpingete korral võib valida lähtetööpunkti ka allapoole. Kuna transistori sisendtakistus vaadeldavas lülituses on kõrge, võivad takistused  R1- R2 olla küllaltki suured (kuni 100 kΩ  ) ilma ,et oleks karta astme sisendtakistuse olulist vähenemist nende toime tulemusel.
 
7.5.4. Parasiitne tagasiside
Parasiittagasisidest on kõige olulisem tagasiside milline tekib siis kui ühisest toiteallikast toidetakse mitut võimendusastet (joon.7.27).
 
CS2
RB1
RC1
RC2
CS1
Usis
VT2
VT1
RB2
RB3
RC3
CS3
VT3
RS
UTS
TS2
TS1
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.27.
 
Kui väikeseks me ei püüaks ka teha toiteallika sisetakistust, on ta reaalselt olemas (kas või mõni sajandik oomi ) ja kuna viimase astme vool on alati kõige suurem, siis tekib sellest voolust toiteallika sisetakistusel signaali sagedusega pingelang, mis on vaadeldav tagasiside pingena ja see kandub ühise toitejuhtme kaudu kõikidesse astmetesse. Seejuures on olulisemad just kollektorahelate kaudu tekkivad tagasiside ahelad, kuna kollektortakistused on väiksemad kui baasitakistused. Tagasiside ahel TS1 osutub mittekriitiliseks, sest tema poolt tekitatud tagasiside on negatiivne (kolmas aste pöörab signaali 180°), tagasiside TS2 on aga kriitiline, sest seal on faasinihe 2*180°, see on 0° ja tekkiv tagasiside on positiivne. Ka on seal signaal tagasisidesignaaliga võrreldes palju väiksem ja on oht, et tekib kriitiline tagasiside, ning võimendi läheb võnkuma. Toodust nähtub, et positiivse tagasiside oht tekib siis kui meil on ühisest toiteallikast toidetakse 3 või enam astet. Parasiitse tagasiside likvideerimiseks ühendatakse teisest astmest ettepoole minevasse toitesse niinimetatud lahtisidestus- filter (joon.7.28).
Olulisemaks elemendiks selles filtris on kondensaator Cf,  mis juhib  tagasisidesignaali maha. See tähendab, vahelduvpingeline signaal toiteahelates lühistatakse. Sellele   aitab kaasa ka kondensaatoriga järjestikku olev takistus, sest kui meil on RC järjestiklülitus, kus  mahtuvustakistus vaadeldavale sagedusele on piisavalt väike, tekib küllalt suur selle sagedusega pingelang takistusel Rf . Sellise filtri sisseviimisega kaasneb esimeste astmete toitepinge vähenemine, sest filtri takistusel tekkib paratamatult ka alalispingeline pingelang. See toitepinge vähenemine ei ole probleemiks, sest esimesed astmed kus signaali amplituud on väike,ja ei vajagi nii kõrget toitepinget.
CS2
R1
RC1
 
CS1
Usis
VT1
Rf
Cf
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.28
 
Teiseks võimaluseks tagasiside vältimiseks on kasutada lõppastmele eraldi toiteallikat.
Kirjeldatud tagasiside toiteallika kaudu esineb ka digitaaltehnika skeemides. Sealseks eripäraks on see, et tarbitavad voolud on impulsilise iseloomuga , kuna loogikalülitused tarbivad suurimat voolu just ümberlülitumise hetkel. Selle tõttu levib toiteahelatesse ja sealt kaudu ka sisenditesse negatiivsed nõelimpulsse, mis võivad põhjustada loogika vale rakendumist (joon.7.29).
 
t
 
 
C1
C2
+
 
 
 
 
JOONIS 7.29 JOONIS 7.30
 
Selle nähtuse vältimiseks ühendatakse loogikaplaatide toiteahelatesse teatud vahekauguste järel kondensaatorite paarid (joon.7.30), mis koosnevad ühest elektrolüütkondensaatorist ja temaga paralleelselt olevast keraamilisest kondensaatorist Samuti soovitatakse ühendada iga mikrolülituse toite klemmiga üks keraamiline kondensaator mahtuvusega vähemalt 1μF.
Kahe kondensaatori kooskasutamise mõte on selles, et elektrolüütkondensaator, mille mahtuvus on umbes 100mF, hoiab pinget aeglasemate voolumuutuste korral, kuid tingituna tema suurest induktiivsusest ei reageeri ta lühikestele voolumuutustele.
Parasiitne tagasiside võib tekkida ka parasiitmahtuvuste ja puistemagnetvoogude toimel.
 
 
C0
Väljundjuhe
Sisendjuhe
ivälj
ivälj
tagasiside vool
C01
Väljundjuhe
Varje
C02
Sisendjuhe
i
i
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 7.31 JOONIS 7.32
 
Kui väljund- ja sisendahelad on lähestikku, siis võib osa väljundsignaalist kanduda parasiitmahtuvuse kaudu sisendisse  (joon.7.31) ja tekitada tagasiside. Selle vältimiseks on kaks võimalust:
1) paigutada sisend- ja väljundahelad teineteisest võimalikult kaugele
2) varjestada sisendahelad.
Varjestamise mõte seisneb selles, et kui kahe ahela vahel esineb mahtuvus, siis nende ahelate vahele pannakse hästijuhtivast materjalist maandatud varje ehk ekraan .
Varje kasutamise tulemusena asendub kahe ahela vaheline mahtuvus, kahe mahtuvusega maa suhtes  (joon.7.32) ja neid mahtuvusi läbiv vool ei kulge enam ühest ahelast teise vaid maha.
   Tagasiside puistemagnetväljade toimel võib esineda ainult võimsate väljund trafode   korral ja parim vahend selle tagasiside vältimiseks on väljundtrafodele sobivama asendi leidmine. Aitab ka varjestamine , kusjuures kasutatavad varjed peavad olema kas suure magnetjuhtivusega materjalist, mille toimel puistemagnetvoog juhitakse kriitilistest ahelatest eemale või suure elektrijuhtivusega materjalist, milles puistemagnetvoog indutseerib pöörisvoolud ja need omakorda tekitavad magnetvoo, mis on suunatud teda tekitavale magnetvoole vastu ja kompenseerib selle. Magnetvarjeid kasutatakse madalsageduslike puistemagnetvoogude kõrvaldamiseks, suure juhtivusega varjeid  aga kõrgete sagedustega magnetvoogude kõrvaldamiseks.
8. VEDELKRISTALLINDIKAATORID
 
Vedelkristallindikaatorite (LCD - Liquid Cristal Display ) töö põhineb vedelkristallides esinevatel elektrooptilistel nähtustel. Vedelkristallindikaatorid ise ei kiirga valgust, vaid tärgid muutuvad nähtavaks langevas või läbivas valguses. Vedelkristall indikaatorite eeliseks on väga palju kordi väiksem tarbitav vool , võrreldes valgusdioodindikaatoritega.
Vedelkristallid esinevad teatud orgaanilistes ainetes, millel on piklikud molekulid (pikkus 1...3 nm, läbimõõt 0,5.. 1 nm). Need ained ei muutu temperatuuri tõusul kohe vedelaks, vaid jäävad teatud temperatuurivahemikus (-10...70 °C) nn. vedelkristallilisse olekusse, kus neil on üheaegselt vedeliku (nagu voolavus ) ja kristalli omadusi (molekulide orienteeritud paiknemine ja optiliste omaduste sõltuvus suunast).
Vedelkristallindikaatorites kasutatakse nn. nemaatilise olekuga aineid. Nemaatilistes vedelkristallides on molekulide pikiteljed piirkonniti üksteisega paralleelselt, kuid eri piirkondades juhuslikult suunatud. Elektrivälja toimel kristallid orienteeruvad ühtlaselt ja vastavalt sellele muutuvad ka nende optilised omadused (võivad muutuda teatud suunas läbipaistvaks). Järelikult on võimalik tüürida vedelkristallide eri tsoone elektriliste signaalidega nii, et optiliste omaduste muutmist saab kasutada info kuvamiseks.
Tingituna sellest, et vedelkristallindikaatorid ise valgust ei kiirga, on indikaatori realiseerimiseks kaks võimalust. Läbiva valguse indikaatorites on indikaatori taga valgusallikas ja indikaatori poolt läbilastav osa valgusest on vaatajal nähtav. Peegelindikaatoreis on indikaatori taga peegel ja vaataja näeb sel juhul sealt peegeldunud valgust. Esimesel juhul on indikaator keerulisem, kuna ta peab sisaldama ka valguallika, teisel juhul on aga nähtavus halvem, kuna kasutatakse üldvalgustust.
Ehituselt kujutab vedelkristallindikaator endast kaht paralleelset klaasplaati, mille vahel on õhuke (umbes 10 μm) vedelkristallikiht. Klaasplaatidele on kantud läbi­paistvad elektrit juhtivad elektroodid . Nendest tagumine on kujundatud ühtlase plaadina, eesmine on aga kuvatavate tärkide saamiseks segmentidena, millest igalt on oma väljaviik (nagu eelvaadeldud LED indikaatoril). Elektroodide materjalidena kasutatakse kas tinaoksiidi (SnO2) või indiumoksiidi (In2O3). Sellise indikaatori ehitus on toodud joonisel 8.1.
JOONIS 8.1.
 
Tööpõhimõttelt jagunevad LCD- indikaatorid dünaamilise hajutusega ja polari­satsiooni nihutamisega indikaatoreiks.
Dünaamilise hajutusega LCD tööpõhimõte selgub jooniselt 8.2. Aktiveerimata tsoonis, kus elektriväli ei toimi, on vedelkristallid orienteeritud ja selle läbipaistvus on väike. Aktiveeritud tsoonis aga toimib vahelduv elektriväli, mille toimel molekulid pöörduvad perioodiliselt ja hajutavad valgust kõikides suundades. Tulemusena on aktiveeritud tsoon nähtav.
JOONIS 8.2.
 
Enamlevinud on polarisatsioonitasandi pööramisega ehk polarisatsiooni nihutusega LCD-d, millised on märksa keerulisema ehitusega, kuid tarbivad vähem voolu
9.MIKROELEKTROONIKA ALUSED
 
9.1. Üldist mikroelektroonikast
Mikroelektroonika on elektroonika osa , mis tegeleb mikrolülituste ehk integraallülituste ( integraal circuts, IC) väljatöötamise, valmistamise ja kasutamisega. Mikrolülitus on monoliitselt tervikuna teostatud lülitus või mingi kindla otstarbega sõlm, kus elementide tihedus on vähemalt 5 elementi 1 cm3 kohta. (Praktiliselt on elementide tihedus kaasajal tuhandeid kordi suurem).
Mikrolülituste kasutamisel ilmnevad nii eelised kui ka puudused. Eelisteks on.
1)     elektroonika seadmete massi ja gabariitide väga suur kokkuhoid ,
2)     seadme kui terviku parem töökindlus, kuna monoliitselt kujundatud lülituses esineb vähem tõrkeid ja gabariitide kokkuhoid võimaldab kasutada dudleerimist,
3)     tarbitava võimsuse sääst, kuna mikroelektroonsed elemendid tarbivad vähem võimsust,
4)     suhteliselt odav hind, kuna suurel hulgal üheaegselt valmistatavad elemendid on odavamad,
Puudusteks tuleks nimetada:
1)     mikrolülitused ei ole remonditavad ja saab kasutada ainult asendusremonti,
2)     mikrolülitused on suhteliselt aldid riknema häirete ja ülepingete toimel.
 
9.2.Ehitus, kasutuse eripära ja liigid
Mikrolülitusse tekitatav elektroonikalülitus kujundatakse kaasajal pooljuhtkristalli  või selle pinnale kujundatud pooljuht või kileelementidena, milline paigutatakse hermeetilisse kesta ja mille kontaktväljad on ühendatud korpuse jalgadega. Taoline ehitus on kujutatud joonisel 9.1.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 9.1.
 
Kujundatava lülituse põhimõtteskeemiline ja ehituslik fragment on kujutatud joonisel 9.2.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 9.2.
 
Joonisel on näha transistorstruktuur, mis on mikrolülituste põhielemendiks ja milliseid tekitatakse kristalli suurel arvul (kaasajal üle 100 000 ja enam) Transistore kasutatakse mitmeti: transistoridena, dioodidena (kasutatakse üht siiret), takistitena (kasutades transistori erineva juhtivusega tsoone), kondensaatoritena (kasutades siirde mahtuvusi). Pind kaetakse isoleeriva oksiidikihiga ja selle peale tekitatakse elementidevahelised ühendusjuhtmed ja kondensaatorite ülemised plaadid. Toodud näite korral toimib teise transistori baasi P tsoon takistina (emitter on jäetud tekitamata) ja kolmanda transistori alumine N tsoon kondensaatori alumise plaadina.
Kaasajal ei osata valmistada kõiki vajalikke elemente mikrolülituste sisse. Nendeks on suuremahtuvulised kondensaatorid ja täppistakistid. Nimetatud elemendid lisatakse mikrolülitustele väljastpoolt. Peale nimetatud elementide lisatakse väljastpoolt ka need elemendid ,millest sõltub mikrolülituse konkreetne kasutus, sest sageli valmistatakse mikrolülitused universaalsetena, mille lõplik kasutusskeem kujundatakse koos lisatavate elementidega.
Mikrolülitused jagunevad kahte suurde gruppi: loogika ehk impulsslülitused ja analooglülitused. Impulsslülitustele on iseloomulik hüppeline väljundpinge muutus. Analooglülitustele aga sujuv väljundpinge muutus. Esimesse liiki kuuluvad loogikalülitused ja impulssgeneraatorid, teise igasugused võimendid ja stabilisaatorid.
 
9.3. Operatsioonvõimendid
Vaatleme näitena operatsioon võimendeid (OP-amps) kui universaalset ja integraalselt teostatavat
MI-sisend
I-sisend
+
E1
E2
+
+
Uvälj
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 9.3
võimenduselementi , millel on väga palju praktilisi rakendusi. Operatsioonvõimendi on alalispingevõimendi ,millel on kaks sisendit , üks väljund ja mida reeglina toidetakse sümmeetrilise alalispingega. (joonis 9.3.) Plussiga tähistatud sisendit nimetatakse mitteinverteerivaks sisendiks ja
temale antud sisendpinge tekitab väljundis samafaasilise väljundpinge. Miinusega tähistatud sisendit nimetatakse inverteerivaks sisendiks ja tema sisendpinge tekitab vastasfaasilise väljundpinge.
Operatsioonvõimendil on suur sisendtakistus (0,5…10 MΩ), väga suur pingevõimendus (20 000…100 000), väike väljundtakistus, ja lai võimendatav sagedusriba (0,5…10 MHz).
Operatsioonvõimendite kasutamine põhineb enamasti kahel lülitusel: mitteinverteerival võimendil ja inverteerival võimendil. Mitteinverteeriva võimendi skeem on toodud joonisel 9.4.
 
Mitteinverteeriv võimendi
+
R2
R1
Uvälj
Usis
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 9.4.
 
Nimetusest tulenevalt on tema väljundpinge faasis sisendpingega ja võimendustegur on määratud tagasiside ahela parameetritega, milline toimib inverteerivasse sisendisse , tekitades negatiivse tagasiside.
 
K = Uvälj/ Usis = 1 + R2/R1
 
Inverteeriva võimendi skeem on toodud joonisel 9.5. Ka selle lülituse võimendus on määratud negatiivse tagasiside parameetritega.
 
Inverteeriv võimendi
+
R2
R1
Uvälj
Usis
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOONIS 9.5.
 
K = - R2/R1
Valemis olev miinus märk osundab lülituse faasipöördetoimele. Negatiivse tagasiside vajadus tuleneb eelkõige operatsioonvõimendi suurest võimendustegurist. Peale tagasisideelementide lisatakse operatsioonvõimendile veel sageli sagedusomadusi korrigeeriv RC filter ja väljundi nihkepinge korrigeerimise potentsiomeeter.
 
113