Elektroonika kordamisküsimused (6)

ELEKTROONIKA 2003
KORDAMISKÜSIMUSED
1. ÜLDOSA 1
1.1.Elektroonika ajaloo põhietapid 1
1.2.Mis on elektronlamp 2
1.3. Elektronkiiretoru 2
1.4.Mis on võimendi 2
1.5. Analoog – ja digitaalelektroonika erinevus 3
1.6.Elektroonika passiivkomponendid 3
1.7.Dioodi ehitus ja funktsioneerimine 4
1.8. Stabilitron ja selle kasutamine 5
1.9. Varikap 5
1.10. Bipolaartransistor , ehitus, karakteristikud ja põhiparameetrid 5
1.11.Väljatransistor, ehitus, karakteristikud ja põhiparameetrid 6
1.12.Mis on JFET (pn- siirdega väljatransistor) 6
1.13.Mis on türistor? 7
1.14.Fotoresistor 7
1.15. Fotodiood 7
1.16.Päikeseelement 7
1.17.Fototransistor, fototüristor 7
1.18. Valgusdiood (LED) 7
1.19. Optron 8
1.20.Infoesitusseadmetes kasutatavad indikatsioonielemendid 8
1.21.ASK, LASK , FSK, detsibell 8
1.22.Passiivne (RC) diferentseeriv ahel 9
1.23.Passiivne (RC) integreeriv ahel 10
1.24. Koormussirge transistoriga ahelale 10
1.25.Tänapäevase elektroonse süsteemi struktuur 11

1. ÜLDOSA

Elektroonika ajaloo põhietapid
Algul XIX sajandil tekkisid ja esimesteks seadmeteks olid alaldid (Cu2O, jmt)
Tõeline elektroonika algas raadio leiutamisest 1896 (umbes). Esimene raadio ei olnud elektrooniline . Raadio leiutasid Popov, Marconi . Marconi hakkas raadiot ka edasi arendama, läks Itaaliast Londonisse, kus hakati tootma. Esimeses raadios oli saatjaks säde. Vastuvõtjad olid metallipuru ja nim. Kohereer. Sellega anti morsetehnikat.
Diood leiutati 1904 aastal ja selleks oli elektronvaakumdiood.
Triood leiutati 1907- 1910 aastatel. Triood oli juba dioodi edasiarendus ehk siis triood juba ka võimendas.
Elektronlampe kasutati kuni 1960ndateni. Peale seda hakkas transistori võidukäik. Transistor leiutati küll 1949, kuid õiged transistorid tekkisid alles 1960ndatel.
Elektroonika oli lampelektroonika 1910-1960
Transistorelektroonika1960 kuni tänaseni, kuid
1960 – 1970 – diskreetsed transistorid
1970 – kuni tänaseni integraallülitused, mikroskeemid (IC)(1970l oli 10 transi , kuid 2000 10 miljonit transistori)
Mälude areng aitas tugevalt kaasa arvutite väikseks tegemise arengule. 1970ndatel leiutati pooljuhtmälud, mis olidki väikesed. Sealtmaalt hakkaski mikroprotsessorite aeg. Enne pooljuhtmälu kasutati mäluna ferriitmälusid.

Mis on elektronlamp
Elektroonika algas elektronlambi leiutamisega, esimesed olid diood ja triood. Elektronlamp on klaaskolb, milles vaakum , plekist anood , ja traadist katood , kui katoodi kuumutada, elektronid lahkuvad katoodilt, kui anoodile anda positiivne laeng liiguvad elektronid sellele ja tekibki vool. Küttepinge oli 6,3V ja 50Hz. Otsese küttega katoodil temperatuur 1000˚C, kuid kaudse küttega
650 – 800˚C
Diood juhib voolu ühes suunas. Sellega sai avastada raadiolaineid, pidada sidet.
Vajalikuks osutus võimendamine, seda võimendas triood, võre võimaldab reguleerida elektronide voogu katoodilt anoodile. Võrele anti negatiivne pinge, et elektronid ei jääks võrele, mõõtes võre pinget, saadi suurem või väiksem pinge.
Elektroonikas: potentsiaal on pinge mingi välja valitud ühise elektroodi(juhtme) suhtes. Trioodis on katood ühine ja tema potentsiaal on 0. Anoodil on + potentsiaal 60…250V. Võrel on “-“ pinge -2…-12V.

Elektronkiiretoru
Täna on elektronkiiretoru: katood – võre e. modulaator, mis kokku moodustab elektronkahuri, elektronid suunatakse luminestseerivale ekraanile , mis on tehtud RGB kiirgavate triipude või punktidena. Et kiirendada on peale võret anood. Elektronkiirt peab saama suunata, selleks on olemas kallutussüsteem
N: I plaadid kallutab elektriväljaga s.o. elektrostaatiline kallutamine see on kiire kallutamine(esineb ostsillograafis). II elektromagnetiline, 2 mähist, kallutatakse magnetväljaga ehk vooluga mähistes see on aeglasem (kuvar, TV kineskoop ). Elektronid ei tohi ekraanile jääda ja toimub sekundaaremisioon ehk see, mis tuleb lööb ühe välja. Pannakse grafiidikiht, et püüda sekundaarelektrone ja see ühendatakse vooluringi. Elektronkiire torus pinged ulatuvad 3000 – 30000 V

Mis on võimendi
Võimendi on seade, milles väikese võimsusega signaal (P1) reguleerib tunduvalt suuremat energiavoogu(P2) toiteallikast tarbijasse.
P1 on signaali võimsus
P0 on toiteallikast saadav võimsus
P2 on võimsus tarbijas
Kp on võimsuse võimenduse tegur.
Sagedustel 100Hz…10MHz on Kp > 1000000
Kui teoreetikud uurivad võimendit ei arvestata toiteallikat.
Pidevate signaalide võimendamine – raadio, TV, makk
Digitaalsignaalide võimendamine – voolu sisse/välja lülitamine

Analoog – ja digitaalelektroonika erinevus
1) analoogelektroonika – 3 transistoriga saab ikka imesid teha
2) digitaalelektroonika – transistoride vajadus kohutav
Anal. elektr oli ainuvalitsev enne kui hakati massiliselt transistore tootma.
Digit el võidukäik, kui IC-d 1000-de transistoriga(1965-70). 1bitt=1(2) transitori
Anal. elektr tegeleb pidevate signaalidega. Ka looduslik signaal on analoogsignaal. Digi. elektr kasutab kahendarve (1;0) Suurte arvude esitamiseks arvutis on vaja 10milj. transistore. Analoogarvutis – võimendid + logaritmaatorid + summeerijad + integraatorid(töötas elektrisignaalide abil) ka opvõimendid olid seal.

Elektroonika passiivkomponendid
Takisti
USA-s
R U = IR
mittelineaarsel puhul
reguleeritavad
potentsiomeeter, lülituse häälestamiseks
R – element, mis muudab elektrienergia soojuseks. Kui R on skeemis väheneb kasutegur. Takistid on lineaarsed ja mittelin( termistor ). Takisti parameter on takistus R.
Parasiitnähtusesk on takisti juures parasiitmahtuvus, mis tekib kõrgetel sagedustel.
Kondensaator
C, Alalisvoolul kondekas voolu ei juhi ehk toimib kui isolaator ! Vahelduvvoolul juhib voolu, toimub pidev ümberlaadimine. Vahelduvvoolul on käitub ta kui reaktiivtakistus XC, mis on kui aku, mis
annab-võtab.
Kondekast vool läbi ei lähe, vaid tekib laeng tema katete peal. Mida suurem on C, seda kauem läheb aega, et kondekas saavutaks vajaliku pinge.
Induktiivsus L (vasktraadist mähis) . Raudsüdamiku
korral, muu südamik . Alalisvoolul lühis e. praktiliselt lühis
(mingi R on) vahelduvvoolul u = Umsinωt tekib i = Imsin(ωt + φ), kus
XL – s.o. reaktiivtakistus ehk vahelduvvoolul energia salvestub poolis (magnetväljas)
XL = ωL = 2πfL (võrdeline seos)
lülitamisel tekib suurpinge surmav, et pinge liiga
suureks ei läheks, alalisvoolu korral saab kasutada kaitset
Mittelineaarsete elementide puhul kasutatakse diferentsiaalse takistuse, mahtuvuse ja induktiivsuse mõisteid. Reaktiivsed elemendid tekitavad faasinihke.
Trafo e. transformaator, pinge muutmise vahend
Ferromagnetikust südamega
ω on keerdude arv
võimendus ei ole, kuigi pinget saab muuta.

Dioodi ehitus ja funktsioneerimine
pn-siirdega diood. Ühesuunaline juhtivus
Juhtimissuund on p-lt n-i
Tavalise dioodi ehitus:
p-alas palju auke ehk siis elektronide puudus
n-alas palju vabu elektrone
Dioodi volt-amper karakteristik:
u > 0 päripinge u vastupinge
T – temperatuuri potentsiaal (u. 25mV toatemperatuuril)
IS – küllastusvool, praktiliselt vastuvool
- hea tuletiste võtmiseks. φT toatemperatuuril on umbes 25V
Schottky diood on diood siirdega metall -pooljuht
Juhib ühes suunas hästi. Kasutatakse kiirete TTL lülituste saamiseks
Dioode kasutatakse:
1. Vahelduvvoolu alaldamiseks, kus tekib pulseeriv vool, mida võib hiljem siluda
2. Alalispinge stabiliseerimiseks. Hästi sobib selleks stabilitron, mis töötab läbilöögireziimis

Stabilitron ja selle kasutamine
Stabilitron
alalispinge stabiliseerimiseks, töötab läbilöögi olukorras.
Diood ei tohi selles piirkonnas rikneda =>
Lubatud max vastuvool läbilöögireziimis on paljudel 1mA…1A. Seda ei tohi ületada.

Varikap
VARIKAP kasutatakse vastupingel C = var , voolu ei juhi, mahtuvuse muutmiseks muudame alalispinget.
varikapi vastuvool on μA murdosa

Bipolaartransistor, ehitus, karakteristikud ja põhiparameetrid
Transistoride otstarve on reguleerida läbivvoolu Usis või isis ’ga. Bipolaarseid juhitakse baasivooluga. Väljatransistoreid juhime paisupingega. Bipolaarsel transistoril on kolme kihiline struktuur. Emitter saadab voolukandjad teele, kollektor kogub Emitterist teele asunud voolukandjad kõik kokku ning Baas on imeõhuke ja ta reguleerib voolukandjate voogu Est Ksse. Bipolaarsel transistroil on arvestatav isis!
Bipolaari üldskeem
Ehitus silikooni põhjal npn transistor
Kirchoffi reegliga ie = ik + ib
s.o. sisendkarakteristik, kus ik~ie ehk see on läbivvool
Nool ringis näitab voolusuunda. Maa on neil ühine elektrod
=> juhitakse baasi poolt
Transistori väljundkarakteristikud:
→ Ühtlaste vahedega baasivoolude korral
Transistori parameetrid:
See on voolu võimenduse tegur
- leitakse kui dif. takistus sisendkarakteristikult
h21e = 100…250 tavaliselt
pnp on tavaliselt abistav variant. Seal on kõik vastupidi ehk siis augud juhivad voolu jmt.

Väljatransistor, ehitus, karakteristikud ja põhiparameetrid
Väljatransistor (nõrgem vool kui bipolaarsetes transistorides, arvutitehnikas peamised) Allolev joonis on p-kanaliga ehk siis tegelt on see abistava transistori joonis, õige oleks n kanaliga ehk siis kõik on vastupidi.
-metall
- isolatsioon SiO2
Voolu suund LÄTTEST SUUDMESSE
Kanali laiust reguleeritakse elektriväljaga
Kui oleks n kanaliga, siis andes ‘+’ pinge siis kogunevad elektronid paisu alla. Tekib n alasid ühendav kanal . Seal saab voolata läbivvool. Kanali ja voolutugevus on määratud paisu pingega(lätte suhtes).
See on nüüd p kanaliga väljatransistori skeem ja ka väljundkarakteristik. Nimetatakse ka indutseeritudkanaliga MOP (i.k. MOSFET – Metal Oxyde Semiconductor)
Et vähendada pinget hakati tegema sisseehitatud kanaliga MOP transistore (kanal on juba tehases valmistatud, selle suurust reguleeritakse pingega)
Kanal on juba sisseehitatud, kuid paisupinge abil vaid laiendame või ahendame seda kanalit. Pinged on juba sobivad arvutites

Mis on JFET (pn-siirdega väljatransistor)
JFET’i on harva vaja. See on alati vastupingestatud.Neid teatakse ka kui isoleerimata paisuga väljatransistorid. Seal on paisu ja juhtiva kanali vahel vaesunud ala, kus on vähe voolukandjaid. Mida kõrgem on vastupinge pn-siirdel seda laiem on vaesunud ala. Mida laiem on vaesunud ala, seda kitsam on kanal ja seda väiksem vool läbi voolab.

Mis on türistor?
Vahendid voolu sisse-väljalülitamiseks, kasutusel jõuelektroonikas (energeetikas). Vool katkeb toitepinge mahavõtmisel.Keskmine np-siire vastupingel on ~0,7V. Joonisel on trinistor. Kui midagi juurde mõelda same väljalülitatavad türistorid, mis on keerukamad. On olemas ka türistorid vahelduvvoolule.

Fotoresistor
Fotoresistor (takistisse paistab valgus ja takistus sõltub valguse intensiivsusest (pimedus 0, valgus 1)) Tavaline takistus, kuid korpusel on aken, kust tuleb valgus. Pimedas on R suur. Aeglase toimega.

Fotodiood
Fotodiood korpuses on auk, ees on kvarts või klaas, dioodi pn siirdeni saavad
liikuda footonid
I sektoris on nagu tavaline diood
III sektoris on vastupinge ja –vool ja käitubki nagu ehtne fotodiood.

Päikeseelement
Skeemi lülitada vastupingel fotoelemendireziimis(vt ülemine joonis), siis diood muutub ise energia allikaks, välist energiat ei ole. Vool → vastuvool ja päripinge valguse arvel s.o. emj. allikas! Kõigi emj allikate vool ja pinge allika sees on vastuolus emj tekitab mitteelektriline energia fotoelemendi puhul – valgus, aku ja patareis – keemia, elektrijaamas – mehaaniline energia.
fotoelemendireziim

Fototransistor, fototüristor
Fototransistor Bipolaartransistor, mille baasialassetungib välisvalgus. Kollektori vool on määratud Φ-ga. See on tundlikum kui fotodiood.
Fototüristor Nagu tavaline ainult, et juht on asendatud valgusvooga.

Valgusdiood (LED)
Kiirgab valgust.
Light Emitting Diode (LED). Valgus tekib läbiva voolu toimel. Materjal: Räni ei kõlba, sest annab infrapuna valgust. GaAsP . Kasutatakse signaallambina.
Pooljuhtlaser on ka valgusdiood, aga parema optilise konstruktsiooniga.

Optron
Valgusallikas (valguse saamiseks kasutame elektrit) + valguse vastuvõtja(muundab valguse elektriks) toimub signaali või energia muumine skeemi järgi elekter  valgus  elekter
- optiline info edastus
N: kõrgepingeliinid – el-isolatsioon 3000V kõrgepinge Arvuti 5V
elektritoitega valgusallikas  valguse muundur elektrisignaaliks
(LED, hõõglamp) (fotodiood, fototransistor, fototüristor, fototakisti jne)
Valguse kandmiseks punktist A punkti B kasutatakse täna kiudoptikat = valgusjuht, peenike kiud mille sees on täielik sisepeegeldus ja valgus välja ei lähe

Infoesitusseadmetes kasutatavad indikatsioonielemendid
värvuspaneelid = infoesituseks.
1. elektronkiirtoru RGB luminestseeriva ekraaniga (10kV)
2. vedelkristall RGB – poolvedel aine, millel pikad molekulid elektrivälja abil saab molekule keerata. (1,5V) Molekule saab ka nõu pinna töötlusega keerata
3. plasmapaneelid e. gaaslahenduspaneelid (hõrendatud gaas millest lastakse elekter läbi. Na aur – erekollane, Xe, Ar, He – pruunikas punane). Gaasi ultraviolet helendus lastakse luminestseerivale ekraanile (pinged 150 – 250V)
Elektroluminessentspaneel: 100-250V kõlbab reklaamiks

ASK, LASK, FSK, detsibell
Logaritmiline sageduskarakteristik
Logaritmilises mastaabis esitatakse alati sagedus ja kui soovi siis ka sagedusest sõltuvad (muud) suurused. Logaritmilises mastaabis vaid sagedus nim seda poollogaritmiliseks esituseks.
Oktav – sageduse kahekordne muutus 1Hz – 2Hz – 4Hz - …
Dekaad – sageduse kümnekordne muutus 1Hz – 10Hz – 100Hz - …
Enamasti sageduskarakteristik (mingi suuruse sõltuvus sagedusest) esitatakse täislogaritmilises (mõõdustikus) esituses see on K (sagedusest sõltuv suurus) esitatakse ka logaritmilises mastaabis. Ühikuks detsiBell (dB) KdB = 10logK (võimsuste suhte võimendusel) KdB = 20logK (pingete voolude suhte puhul)
ASK-l on süsteemi väljund ja sisendpinge amplituudidesuhte sõltuvus sagedusest f.
logaritmilises mastaabis kasutatakse kuna nurkade sagedused on lihtsalt arvutatavad kalded dB/dek (dB/okt) on ± n 20 (± n 6) n = 1, 2, 3, … ± n 10 tavaliselt pingete suhte muut 3dB.
Peale selle on olemas veel FSK, mis tuleneb LASKist. See on süsteemi väljund ja sisendpinge faasinihke sõltuvus sagedusest.
Kui LASK tõus on +20dB/dek siis max =+90°
Kui LASK tõus on +40dB/dek siis max =+180°
Kui Lask langus on -20dB/dek siis piirväärtus on-90°
Jne.

Passiivne (RC) diferentseeriv ahel
u2 = ir u1 ja u2 ja i on siinuselised, väljund voolu ei võta.
Vaatleme sagedustel (u1 muutumiskiirustel), kus U2 R, siis võime kirjutada:
Ülekanne Τ=RC ajakonstant
Ülekandetegur U2m/U1m kasvab kiirusega (ASK-l) 20dB/dek ehk siis sageduse kasvades 10 korda ka ülekandetegur kasvab 10 korda.
Küllalt kõrgetel sagedustel 1/ωC