1

Mr. Nndor Burny

OSNOVI ELEKTRONIKE -skripta-

Via tehnika kola, Subotica, 2001.

id31095359 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com

2

1. ELEKTRONSKE KOMPONENTE ........................................................................................................................... 5 1.1. PASIVNE KOMPONETE ....................................................................................................................................... 6

1.1.1. Otpornici ........................................................................................................................................................... 6 1.1.2. Kondenzatori .................................................................................................................................................... 9 1.1.3. Kalemovi ......................................................................................................................................................... 11 1.1.4. Transformatori ................................................................................................................................................ 14 1.1.5. Hemijski izvori elektrine energije ................................................................................................................. 15 1.1.6. Hladnjaci ........................................................................................................................................................ 17 1.1.7. Prekidai ......................................................................................................................................................... 17 1.1.8. Elementi za spajanje ....................................................................................................................................... 18 1.1.9. Osigurai ........................................................................................................................................................ 19 1.1.10. Senzori .......................................................................................................................................................... 20 1.1.11. Provodnici i kablovi ...................................................................................................................................... 21 1.1.12. Kutija ureaja ............................................................................................................................................... 22

1.2. AKTIVNE KOMPONENTE ................................................................................................................................. 23 1.2.1. Diode .............................................................................................................................................................. 23 1.2.2. Bipolarni tranzistori ....................................................................................................................................... 26 1.2.3. Spojni fetovi (jfet, fet) ..................................................................................................................................... 31 1.2.4. Mosfetovi ........................................................................................................................................................ 33 1.2.5. Tiristori ........................................................................................................................................................... 36 1.2.6. IGBT ............................................................................................................................................................... 40 1.2.7. Optoelektronske komponente .......................................................................................................................... 42

2. OSNOVNA ELEKTRONSKA KOLA ...................................................................................................................... 44 2.1. PASIVNA KOLA .................................................................................................................................................. 45

2.1.1. RC niskopropusnik .......................................................................................................................................... 45 2.1.2. RC visokopropusnik ........................................................................................................................................ 47 2.1.3. Razdelnici napona .......................................................................................................................................... 48 2.1.4. RC propusnik opsega ...................................................................................................................................... 50 2.1.5. LC filtri ........................................................................................................................................................... 50 2.1.6. Wien-ov most .................................................................................................................................................. 51 2.1.7. Redno RLC rezonantno kolo ........................................................................................................................... 52 2.1.8. Paralelno RLC rezonantno kolo ..................................................................................................................... 53

2.2. LOGIKA KOLA .................................................................................................................................................. 54 2.2.1. Opte karakteristike logikih kola .................................................................................................................. 54 2.2.2. Logika kola sa diodama ................................................................................................................................ 55 2.2.3. Logiki invertor sa tranzistorom ..................................................................................................................... 57 2.2.4. DTL i TTL kola ............................................................................................................................................... 58 2.2.5. ECL logika kola ............................................................................................................................................ 59 2.2.6. I2L logika kola ............................................................................................................................................... 60 2.2.7. MOS logika kola ........................................................................................................................................... 61

2.3. POJAAVAKA KOLA ...................................................................................................................................... 64 2.3.1. Modelovanje pojaavaa ................................................................................................................................ 65 2.3.2. Pojaavai sa povratnom spregom ................................................................................................................. 66 2.3.2. Operacioni pojaavai .................................................................................................................................... 68 2.3.4. Kola sa operacionim pojaavaima................................................................................................................ 69 2.3.5. Pojaava sa zajednikim emitorom ............................................................................................................... 74 2.3.6. Stepen sa zajednikim kolektorom .................................................................................................................. 78 2.3.7. Stepen sa zajednikom bazom ......................................................................................................................... 79 2.3.8. Diferencijalni pojaava sa bipolarnim tranzistorima ................................................................................... 80 2.3.9. Strujni izvori, aktivna optereenja, strujna ogledala ...................................................................................... 82 2.3.10. Unutranja struktura i realni parametri operacionih pojaavaa ................................................................ 85

2.4. NELINEARNA ELEKTRONSKA KOLA ............................................................................................................ 89 2.4.1. Kola za zatitu i ogranienje .......................................................................................................................... 89 2.4.2. Modulatori i demodulatori.............................................................................................................................. 91 2.4.3. Usmerai ......................................................................................................................................................... 94

3

2.4.4. Umnoavai napona ....................................................................................................................................... 99 2.4.5. Nelinearni pojaavai ................................................................................................................................... 100

4

PREDGOVOR

Ova skripta je namenjena studentima Vie tehnike kole u Subotici i obuhvata predavanja koja se dre iz predmeta Osnovi elektronike. Namera autora je bila da sakupi sva saznanja koja su potrebna za savladavanje drugih predmeta vezanih za elektroniku kao i za kasniji inenjerski rad. Ko god preduzme slian poduhvat, suoie se sa preobimnou materijala. Istorija elektronike je stara svega sto godina, ipak se nagomilala ogromna koliina naunih i tehnikih dostignua. U toku brzog razvoja iznalaene su nove komponente koje su omoguile nove primene, meutim esto i stare komponente i principi su ostajale u opticaju. Sa aspekta studenata ovi problemi se manifestuju u suoavanju sa puno novih pojmova. Sa sigurnou se moe tvrditi da je broj novih pojmova u elektronici viestruk u odnosu na neke druge predmete. Situaciju dalje oteava to to te nove pojmove treba upoznati zajedno sa njihovim meusobnim vezama. Te meuzavisnosti predstavljaju drugu oteavajuu okolnost za autora. Teko je rasporediti gradivo u neki logian red tako da nema potrebe za stalnim pozivanjem na kasnija poglavlja. U izlaganju elektronike, izuzev zadnjih dvadeset godina, vladao je istorijski redosled. Elektronske komponete i kola su prouavana po onom redu kako su pronalaena. Poev od osamdesetih godina pojavio se niz svetskih udbenika koji istorijski redosled vie ne smatraju obavezujuim. Opte prihvaenog novog principa ureivanja meutim nema. Neki autori rasporeuju gradivo po vanosti: tako se digitalna elektronika opisuje pre linearnih kola. Drugi autori slian raspored objanjavaju sa pedagokim aspektima: lake je shvatanje prekidakog rada elektronskih komponenti nego razumevanje obrade analognih signala. Ova skripta uzima u obzir nove tendencije, sa druge strane prilagoava se vremenskim ogranienjima nastave na Vioj koli. Izlau se samo saznanja vana za svakodnevnu praksu i to u saetoj formi. Poto osnovu ine elektroske komponete, prva tema je upoznavanje sa njima (1. deo). Povezivanjem nekoliko komponenti se dobijaju elementarna kola (2. deo). I najsloenije primene se baziraju na tim elementarnim kolima. Ambicija treeg dela je da daje pregled o svim danas korienim elektronskim kolima, funkcionalnim blokovima. Daje se samo kratak opis funkcionisanja. Eventualna teorijska pozadina se moe nai u etvrtom delu i u navedenoj literaturi. Svugde su izbegavani sloeni prorauni poto je to danas zadatak raunara i simulacijskih softvera. elim da studenti uspeno koriste ovu skriptu i da postanu strunjaci koji ive od svog znanja.

Autor.

5

1. ELEKTRONSKE KOMPONENTE

Kao i bilo koja druga oblast tehnike, i elektronika je bazirana na osnovnim, za nju specifinim komponentama. Radi boljeg pregleda te komponente se dele na pasivne i aktivne. Atribut aktivan se odomaio jer su aktivne komponente sposobne za pojaanje i prekidanje signala, dok pasivne komponente imaju drugu primenu (slabljenje, filtracija, ogranienje, podeavanje itd.). Praksa ponegde odstupa od navedenog principa. Ranije su se pod aktivnim komponentama podrazumevale elektronske cevi, dok danas tu ubrajamo sve poluprovodnike komponente, ak i da nemaju efekat pojaanja ili prekidanja. Ima i suprotnih primera.

Drugi slini udbenici se obino ne bave i pasivnim komponetama. Poto program Vie tehnike kole ne predvia drugi predmet u tu svrhu, smatralo se vanim da se izloe elementarna saznanja iz oblasti pasivnih komponenti. U inenjerskoj praksi proraun, izbor, nabavka i ugradnja pasivnih komponeti se ne moe smatrati za drugorazredni zadatak. U obavljanju tog zadatka eli da pomogne prva glava. Druga glava je posveena poluprovodnikim komponentama. Opte je prihvaeno da savremeni udbenici elektronike se ne bave elektronskim cevima. Primena elektronskih cevi nije u potpunosti prestala ali je toliko suena da u ovakvoj uvodnoj literaturi nije opravdano njihovo navoenje. Kod drugih autora opis poluprovodnikih komponeti je mnogo detaljniji, sa dubljom teoretskom osnovom. Praksa pokazuje da studenti nakon diplomiranja nemaju puno koristi od toga. Simboliki reeno, ako nekoga elimo nauiti da ije, naglasak ne treba staviti na hemijski sastav igle. U skladu sa ovim pricipima daje se kratak opis poluprovodnikih komponeti, kod svih je naglasak na istim praktinim aspektima (grafiki simbol, struktura, karakteristike, modeli, tipovi, kuita). Smatra se da je to dovoljno za savladavanje kasnijih delova gradiva.

6

1.1. PASIVNE KOMPONETE

Kao to je objanjeno u prethodnom uvodu, u pasivne komponete se danas ubrajaju sve komponente koje nisu na bazi poluprovodnika. Njihovu vanost najbolje potvruje injenica da sveobuhvatni trgovaki katalozi elektronskih komponenti posveuju vei prostor njima nego poluprovodnikim komponentama. Pasivne komponente se redovno mogu opisati sa malim brojem parametara. Nasuprot tome njihovom proraunu i izboru treba posvetiti adekvatnu panju jer pouzdanost i primenjivost nekog ureaja u velikoj meri zavisi od njih. U daljem tekstu daje se kratak opis pojedinih pasivnih komponeti, ukljuujui grafiki simbol, parametre, oblasti primene.

1.1.1. Otpornici Za otpornike se mogu smatrati sve komponente kod kojih postoji jednoznana veza izmeu napona na komponenti i struje koja prolazi kroz nju bez obzira na vremenski oblik napona i struje. Znai, za svaki otpornik postoji veza v=f(i) koja u se veini sluajeva uproava na linearan oblik v=Ri, gde je v napon, R je otpornost otpornika, i struja. Razne otpornike iz svakodnevne prakse delimo u tri grupe: a) Obinim otpornicima se smatraju oni linearni otpornici kod kojih je otpornost R fabriki fiksirana. Ativni deo otpornika se pravi od tankog sloja grafita ili metala, eventualno od otporne ice. Aktivni materijal se nanosi na keramiku podlogu, naprave se izvodi a slobodne povrine se zatiuju farbanjem. Glavne karakteristike otpornika su otpornost, nazivna snaga i tolerancija. Otpornost moe da se bira iz irokog opsega; dobra je praksa ako se moemo zadrati unutar granica 10-1M ali se deava da umesto iz navedenih pet dekada biramo otpornike iz sedam dekada.

Unutar jedne dekade proizvoai odreuju otpornosti po geometrijskim nizovima.Ovakvi nizovi su niz E6, E12, E24 itd. Broj u nazivu niza se odnosi na broj vrednosti unutar jedne dekade. Narednu vrednost u nizu raunamo mnoei prethodnu vrednost sa (10)1/n (gde je n broj koji figurie u nazivu niza), uz zaokruivanje na 2-3 cifre. Spomenuti nizovi sadre sledee vrednosti:

niz E6: 1,0; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8. niz E12: 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,2; 2,7; 3,3; 3,9; 4,7; 5,6; 6,8; 8,2. niz E24: 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,5; 1,6; 1,8; 2,0; 2,2; 2,4; 2,7; 3,0; 3,3; 3,6; 3,9; 4,3; 4,7; 5,1;

5,6; 6,2; 6,8; 7,5; 8,2; 9,1. Elektrina snaga dovedena u otpornik se pretvara u toplotu to dovodi do zagrevanja.

Nazivna snaga je ona elektrina snaga koja jo ne uzrokuje prekomerno zagrevanje otpornika. Jae zagrevanje dovodi do naglog smanjenja radnog veka otpornika. Decenijama su otpornici nazivne snage od W su bili najpopularniji. Danas, radi smanjenja dimenzija sve ee se koriste otpornici snage od W i manji.

Tolerancija otpornika odreuje oekivano odstupanje otpornosti od nazivne vrednosti. Kao kod svakog serijskog proizvoda, mogua su manja ili vea odstupanja u vrednostima parametara. Tolerancija se zadaje u procentima, znaenje tih procenata je mogue odstupanje u oba smera.

Otpornost i tolerancija se obino obeleava na otpornicima uz pomo kombinacije boja, retko se koriste natpisi (izuzetak ine otpornici vee snage i otpornici predvieni za povrinsku montau). Vrednost otpornosti se oitava tako da se cifre koje odgovaraju za prve dve ili tri boje, napiu jedan pored drugog i dobijeni broj se pomnoi sa onolikim stepenom broja deset koliki odgovara narednoj boji. Zadnja cifra odreuje toleranciju. Znaenje pojedinih boja pri odreivanju otpornosti i tolerancije dato je u Tabeli 1.1.

7

Slika 1.1. Temperaturna zavisnost (a) NTC i (b) PTC otpornika. hmrskletfggse.

Tabela 1.1. Znaenje boja pri obeleavanju otpornika.

boja cifra mnoilac tolerancija crna 0 1 braon 1 10 1% crvena 2 100 2% narandasta 3 1000 - uta 4 10 000 - zelena 5 100 000 - plava 6 1000 000 - ljubiasta 7 - - siva 8 - - bela 9 - - zlato - 0,1 5% srebro - 0,01 10%

b) Obini otpornici se konstruiu tako da ispoljavaju minimalnu zavisnost od temperature. Za razliku od njih postoje otpornici ija otpornost se znaajno menja sa temperaturom. U njih spadaju NTC otpornici kod kojih sa porastom temperature otpornost opada i PTC otpornici kod kojih je suprotna tendencija (slika 1.1).

Postoje dve oblasti primene NTC otpornika: merenje temperature i ogranienje udarnih struja pri ukljuivanju ureaja. Pri ukljuivanju NTC otpornik je hladan, otpornost mu je velika zato uspeno limitira struju i na taj nain zatiuje ulazno kolo ureaja i mreni osigura. U toku rada otpornik se greje, opada mu otpornost i time se smanjuju gubici i ograniava dalje zagrevanje. Osnovni podaci za takve otpornike, pored dimenzija su: otpornost (u hladnom stanju) i najvea efektivna vrednost struje na kojoj se jo mogu primeniti.

Dobar deo PTC otpornika se takoe koristi za merenje temperature; u novije vreme su razvijeni PTC otpornici za zatitu od preoptereenja. Ove poslednje redno vezuju sa potroaem. U hladnom stanju otpornost im je mala i omoguavaju normalno funkcionisanje ureaja. Pri preoptereenju otpornost im naglo poraste i time praktiki prekidaju dalje napajanje potroaa. im se ohlade, otpornost im padne i ponovo ukljuuju potroa. Vaniji podaci za ove otpornike su nazivna otpornost, nazivna struja i struja iskopavanja. Kod varistora zavisnost v=f(i) je nelinearna ali vai simetrino ponaanje za pozitivne i negativne napone. Slika 1.2. prikazuje tipinu karakteristiku varistora. Sutina te krive je da do

0 100 200 300 400 T[K]

R NTC

0 100 200 300 400 T[K]

R PTC

(a) (b)

8

Slika 1.2. Nelinearna strujno- naponska karakteristika uobiajena kod varistora.

Slika 1.3. Grafike oznake raznih otpornika: a) obian otpornik, b) temperaturno zavisan otpornik (NTC, PTC), c) varistor, d) potenciometar, e) trimer potenciometar.

nazivnog napona varistor ne proputa znaajnu struju, a preko izvesnog praga struja naglo poraste. Varistori se obino vezuju paralelno na ulaz potroaa i ostvaruju zatitu potroaa od prenapona.

Glavni podaci za varistore su nazivni (radni) napon, probojni napon i opteretljivost (kratkotrajno ili u ustaljenom reimu).

c) Potenciometri su takvi otpornici kod kojih, pored krajnjih izvoda, postoji i jedan klizni kontakt (kliza). Aktivni materijal je i u ovom sluaju tanak sloj grafita, metala ili je otporna ica. Kliza se moe pomerati po aktivnom sloju po elji. Na ovaj nain se ostvaruje promenljiva otpornost ili promeljiva razdela napona. Pomeranje klizaa se ostvaruje okretanjem osovine ili pravolinijskim pomeranjem odreene ruke.

Promena otpornosti je obino srazmerna sa veliinom pomeraja klizaa (linearni potenciometri) ali moe postojati i logaritamska zavisnost (logaritamski potenciometri). U sluaju da se pomeranje klizaa vri sa alatom, govorimo o trimer potenciometrima.

Najvaniji podaci za potenciometre su otpornost, maksimalna snaga i maksimalni ugao okretanja. Veina potenciometara se moe okretati neto manje od punog kruga (na pr. 330o). Postoje meutim i potenciometri sa vie okretaja, kod njih osovina se moe okretati na pr. za tri ili deset krugova. Potenciometri sa vie okretaja su skupi i koriste se samo u sluaju posebno preciznih podeavanja.

Na slici 1.3. su prikazane uobiajene grafike oznake za razne otpornike.

Mehanika izvedba veine otpornika je aksijalna: telo otpornika je valjkasto, izvodi se prikljuuju du osovine valjka. Otpornici predvieni za povrinsku montau su u obliku paralelopipeda. Sa dve bone strane postavljaju se metalne kapice koje ine izvode. NTC i PTC otpornici kao i varistori su radijalne izvedbe: telo otpornika je u obliku diska, ice koje ine izvode postavljaju se paralelno sa jedne strane. Pojedine mehanike izvedbe su prikazane na slici 1.4.

I

V

T V

(a) (b) (c) (d) (e)

9

1.1.2. Kondenzatori Kondenzatori su elektronske komponente koje u svom unutranjem elektrinom polju mogu

da akumuliu znaajnu energiju. Energija se akumulie u izolacionom sloju (dielektrik) izmeu dve metalne povrine kada na te metale povrine nanesemo elektricitet suprotnog polariteta. Pri tome se pojavljuje potencijalna razlika izmeu metalnih povrina to se moe izmeriti na izvodima koji se prikljuuju na te metalne povrine.

Obino vai linearna veza izmeu koliine naelektrisanja (Q) i napona (V): Q=CV, gde je C (jedinica je Farad) koeficijent srazmernosti koji se zove kapacitet kondenzatora. Akumulisana energija se moe izraunati po formuli:

2

2CVW ......................................................................................................................(1.1.)

Kapacitet kondenzatora se obino proraunava po formuli za ploaste kondenzatore:

dSC r 0 ......................................................................................................................(1.2.)

gde je: 0 - dielektrina konstanta vakuuma, r - relativna dielektrina konstanta primenjenog izolatora, S - veliina metalnih povrina, d razmak izmeu metalnih povrina (to se poklapa sa debljinom izolacionog sloja). Glavni cilj pri konstrukciji kondenzatora je postizanje to veeg kapaciteta odnosno

akumulacione sposobnosti u to manjoj zapremini. Zato je poeljno da se koristi to tanji sloj dielektrika. Smanjenje mera ograniava mehanika vrstoa dielektrika i opasnost od proboja.

Po konstrukciji razlikujemo etiri vrste kondenzatora: elektrolitski kondenzatori, blok kondenzatori, keramiki kondenzatori i promenljivi kondenzatori.

a) Elektrolitski kondenzatori imaju etvoroslojnu strukturu. Velika povrina se postie primenom tanke metalne folije (aluminijum, tantal, zlato). Povrina jedne folije (anoda) se oksidie.

Slika 1.4. Mehanike izvedbe otpornika: a) izvedba za povrinsku montau, b) aksijalna izvedba, c) radijalna izvedba.

(b) (c)(a)

10

Taj tanak oksidni sloj igra ulogu izolatora (dielektrik). Druga metalna folija ne nalee direktno na oksidni sloj ve se izmeu postavlja sloj papira natopljen dobro provodnim elektrolitom.

Opisana struktura ispoljava usmerako dejstvo poto elektroni iz anode preko oksidnog sloja mogu da preu u elektrolit meutim joni elektrolita ne mogu proi preko oksidnog sloja do anode. Zbog usmerakog efekta elektrolitske kondenzatore moemo optereivati samo naponom jednoga smera, zato se za njih ponekad koristi naziv polarizovani kondenzatori. U manjim serijama proizvode se i elektrolitski kondenzatori bipolarnog tipa tako to se oksidiu povrine kod obe folije. Glavni nedostatak je to se na ovaj nain postie upola manji kapacitet.

Zahvaljujui vrlo maloj debljini oksidnog sloja (opseg 1nm-10nm), kod elektrolitskih kondenzatora mogu se postii veliki kapaciteti u maloj zapremini. Radni vek im je relativno kratak zbog isuivanja elektrolita. Sa porastom temperature isuivanje se ubrzava, pri porastu za 7-10K radni vek se prepolovi.

Osnovi podaci kod elektrolitskih kondenzatora su: kapacitet, nazivni napon, ekvivalentna redna otpornost (ESR, uzima u obzir gubitke), maksimalna radna temperatura, tolerancija i oekivani radni vek.

Brojne vrednosti kapaciteta se redovno biraju iz niza E6 (videti kod otpornika pod takom 1.1.1). Toleancija je redovno 20% ili jo gora. Kapacitet aluminijumskih elektrolitskih kondenzatora redovno spada u opseg od 1F do 100mF.

Po naponu razlikujemo niskonaponske (6,3V-100V) i visokonaponske (100V-400V) elektrolitske kondenzatore. Savremeni elektrolitski kondenzatori se redovno prave u radijalnoj izvedbi, telo kondenzatora je valjkastog oblika. Ranije je aksijalna izvedba bila uobiajena, takoe sa valjkastim telom. Za manje kapacitete i napone prave elektrolitske kondenzatore i za povrinsku montau. Navedene mehanike izvedbe su prikazane kod otpornika (slika 1.4).

Tantalski elektrolitski kondenzatori se redovno prave u suvoj izvedbi tako da se kod njih ne manifestuje isuivanje. Na alost primenjena tehnologija ne omoguava realizaciju kondenzatora velikog kapaciteta. Obino se koriste u profesionalnim ureajima za filtraciju i odvajanje jednosmerne komponente.

Zlatni kondenzatori su vrlo velikog kapaciteta (red veliine 1F), ali radni napon im je svega nekoliko Volti. Ekvivalentna redna otpornost (ESR) im je velika. Koriste ih za besprekidno napajanje potroaa sa malom potronjom (na pr. memorije).

b) Blok kondenzatori se dobijaju motanjem. Ranije su namotavali naizmenino postavljene trake metala i izolatora. Danas se koriste metalizovane plastine folije. Nakon prikljuivanja izvoda aktivni deo kondenzatora se ubacuje u plastino kuite i zalije vetakom smolom.

Glavni podaci za blok kondenzatore su kapacitet, nazivni napon, tolerancija i faktor gubitaka (tg). Kapacitet im obino spada u opseg od 100pF do 10F, vrednosti se uzimaju iz niza E6 ili E12. Radni napon moe biti od 50V do nekoliko kV. Tolerancija je znatno bolja nego kod elektrolitskih kondenzatora (10%, 5%). Faktor gubitaka na odreenoj frekvenciji je odnos snage gubitaka i reaktivne snage kondenzatora:

QP

tg ......................................................................................................................(1.3.)

Gubici blok kondenzatora pri modelovanju se uzimaju u obzir pomou rednog ili paralelnog otpornika (RS, RP). Na vrlo visokim frekvencijama dolazi do izraaja i redna induktivnost kondenzatora (LS). Primenu kondenzatora limitira rezonantna uestanost koja je odreena formulom:

11

Slika 1.5. Grafike oznake za razne tipove kondenzatora: a) opta oznaka, b) polarizovani (elektrolitski) kondenzator, c) obrtni kondenzator, d) trimer kondenzator.

CLSr

1 .................................................................................................................(1.4.)

Dati kondenzator se samo ispod te uestanosti ponaa kao kondenzator a iznad je induktivnog karaktera.

Blok kondenzatori se redovno proizvode u radijalnoj izvedbi, telo kondenzatora je u obliku paralelopipeda (slika 1.4). Ranije je aksijalna izvedba bila uobiajena.

Zahvaljujui stabilnom ponaanju blok kondenzatora se koriste u preciznim vremenskim i filtarskim kolima. Jedna posebna oblast primene blok kondenzatora je filtracija mrenih smetnji. Najvaniji parametar tih kondenzatora, pored kapaciteta i napona je rezonantna uestanost poto se efekat filtriranja ostvaruje samo ispod rezonantne uestanosti. Kondenzatore za filtraciju smetnji delimo na dve klase: postoje takozvani X kondenzatori koji se povezuju izmeu linija za napajanje i postoje Y kondenzatori koji se vezuju od linija za napajanje prema uzemljenju. Konstrukcija tih kondenzatora je slina ali se Y kondenzatori prave sa znatno debljim slojem izolatora (dielektrika) poto pri njihovom proboju vod za uzemljenje moe da doe pod napon i moe da ugrozi korisnika.

c) Keramiki kondenzatori se formiraju od dvostrano metalizirane keramike ploice. Kapacitet koji se moe postii na ovaj nain je relativno mali: od 1pF do 100nF sa tim da vee vrednosti se postiu sa vieslojnom strukturom. Lako se dobijaju visokonaponski keramiki kondenzatori. Rezonantna uestanost im je vrlo visoka zato se uspeno koriste za filtraciju i sprezanje signala visoke uestanosti. Vrednosti kapaciteta se redovno biraju iz niza E6. Tolerancija je relativno loa (20%), zavisnost od temperature je izraena. Mehanika izvedba je redovno radijalna telo kondenzatora je u obliku diska, eventualno pravougaone ploe (videti sliku 1.4).

d) Promenljivi (podeljivi) kondenzatori se redovno koriste za podeavanje rezonantnih kola i filtara. Promena kapaciteta se postie promenom meusobnog poloaja dve ploe ili dva sistema ploa. Red veliine kapaciteta je od 1pF do100pF sa tim da kod istog kondenzatora odnos maksimalnog i minimalnog kapaciteta redovno nije vei od deset.

Ako je kondenzator predvien za podeavanje u toku rada, govorimo o obrtnom kondenzatoru, jednostruko (fabriko) podeavanje se vri sa trimer kondenzatorom. Obrtni kondenzatori se prave sa odgovarajuom osovinom i dugmetom za runo podeavanje, a trimer kondenzatori se nametaju uz pomo alata.

Grafike oznake za razne tipove kondenzatora su navedene na slici 1.5.

1.1.3. Kalemovi Kalemovi su elektronske komponente koje mogu da akumuliu znaajnu energiju u svom

magnetnom polju. Magnetno polje se formira pod uticajem elektrine struje koja prolazi kroz provodnike. Mera magnetnog polja je magnetni fluks (). Kod linearnog elementa vai:

+

(a) (b) (c) (d)

12

LI ......................................................................................................................(1.5.)

gde je: L induktivnost kalema, I struja kalema.

Koliina akumulisane energije se proraunava po formuli:

2

2LIW ......................................................................................................................(1.6.)

Kalemovi se redovno prave od bakarne ice sa lak izolacijom. U zavisnosti od toga da li se u magnetnom polju kalema nalazi neki feromagnetni materijal,

razlikujemo dve grupe kalemova: a) Kalemovi sa vazdunim jezgrom su ili samodrei ili se prave na drau od nemagnetnog

materijala (papir, plastika). Za njih zaista vai linearna veza =LI, na alost na ovaj nain se mogu postii samo kalemovi male induktivnosti.

Ovakvih kalemova obino nema u prodaji, korisnik treba da ih pravi sam. Kod solenoidnog oblika namotaja induktivnost se moe proraunati uz pomo sledee empirijske formule:

.1045,0

)( 72

Dl

NDL ..........................................................................................................(1.7.)

gde je: N broj navojaka, D unutranji promer, l duina kalema. Zadata formula vai za relativno dugake kalemove (l>0,3 D). Za kratke (pljosnate)

kalemove moe se primeniti modifikovana formula:

72

2

10)01,045,0(

)(

lDDl

NDL ........................................................................................(1.8.)

Kalemovi sa vazdunim jezgrom se najvie koriste u radiotehnici ali mogu da se nau i u energetskim kolima zato to se kod njih ne javlja zasienje.

b) Primenom feromagnetnog materijala smanjuje se rasipanje polja, fluks se skoncentrie u malu zapreminu gde je indukcija (B) znatno poveana, poveava se i akumulaciona sposobnost kalema.

Vano je spomenuti da nije poeljno da jezgro bude potpuno zatvoreno, potreban je izvestan vazduni zazor. Uloga jezgra je da skoncentrie fluks ali akumulacija energije se dobrim delom odigrava u vazdunom zazoru.

Primena jezgra dovodi i do izvesnih mana: javljaju se dodatni gubici usled histerezisa to je karakteristino za magnetne materijale; u sluaju da je jezgro ujedno i dobar provodnik, pojavljuju se i vrtlone struje to isto dovodi do gubitaka.

13

Znaajne probleme moe da stvara i zasienje to je uzrokovano time da se magnetni materijali ne mogu magnetisati preko izvesne mere. Ulaskom u zasienje induktivnost kalema naglo opada, kalem ne moe da obavlja svoju funkciju.

Na industrijskim frekvencijama (50Hz-400Hz) za realizaciju jezgra se primenjuju limovi od legiranog elinog lima radi smanjenja vrtlonih gubitaka. Jezgro od punog gvoa se moe koristiti samo na jako niskim frekvencijama odnosno pri jednosmernoj struji.

Na viim frekvencijama se koriste feritna jezgra odgovarajueg sastava. Feriti su oksidi gvoa koji sa jedne strane poseduju magnetne osobine gvoa, sa druge strane ne provode elektrinu struju, pa se u njima ne mogu se formirati vrtlone struje.

Jezgra kalemova se prave i od gvozdenog praha sa dodatkom lepila. Takva jezgra toroidnog oblika se ponaaju kao da imaju vazduni zazor rasporeen po obodu.

I kalemove sa jezgrom redovno proraunava i pravi korisnik. Na raspolaganju je veliki izbor elinih i feritnih jezgara. Induktivnost kalema sa jezgrom se moe proraunati po formuli:

00

22

lANANL eL .....................................................................................................(1.9.)

gde je: N - broj navojaka, AL - faktor induktivnosti, 0 - permeabilnost vakuuma [ 410-7 H/m], Ae - povrina preseka jezgra, l0 - visina vazdunog procepa.

Veliina procepa se odreuje tako da ni pri vrnoj vrednosti struje jezgro ne doe u zasienje:

,0

0m

m

BNIl ....................................................................................................................(1.10.)

gde je: Im - vrna vrednost struje, Bm najvea dozvoljena magnetna indukcija. Drugo ogranienje pri projektovanju kalema pored zasienja je zagrevanje. Zagrevanje se

javlja zbog gubitaka u provodnicima i u jezgru. Proraun gubitaka je relativno sloen zadatak. Realna slika o zagrevanju se esto moe stvoriti samo uz merenje na realizovanom kalemu.

Pri korienju kalema na malim signalima glavna stvar nije zagrevanje ve faktor dobrote koji je dat formulom:

SRLQ ...........................................................................................................................(1.11.)

gde je RS ekvivalentna redna otpornost kalema koja uzima u obzir gubitke u kalemu. Slino kao kod kondenzatora, i kod kalemova postoji rezonantna uestanost iznad koje

kalem se vie ponaa kao kondenzator zbog parazitnog kapaciteta izmeu susednih navojaka i slojeva.

Na jedno isto jezgro moe se namestiti i vie od jednog namotaja, pri tome treba uzeti u obzir da se polja koja potiu od pojedinih namotaja, algebarski sabiraju. Strujno kompenzovani kalemovi, kod kojih se na jednom zatvorenom jezgru nalaze dva istovetna namotaja, vrlo su vani

14

za primenu. Po jedan od tih namotaja se povezuje na red u linije za napajanje odreenog ureaja. Pri povezivanju treba voditi brigu da se ponite polja koja su rezultat radnih struja a struje smetnji treba da se prigue u to veoj meri.

Kalemovi sa jezgrom se uglavnom koriste za filtraciju, usrednjavanje i kanjenje signala, a postoje i radiotehnike primene. Grafiki simboli za kalemove su prikazani na slici 1.6.

1.1.4. Transformatori Skoro bez izuzetaka transformatori se prave sa jezgrom od feromagnetnog materijala. Na

jezgru se redovno nalaze dva ili vie namotaja. Zahvaljujui zajednikom magnetnom polju koje obuvata namotaje, mogu se preneti signali odnosno energija iz jednog namotaja u drugi.

Jezgra se realizuju od istih materijala kao jezgra kalemova (taka 1.1.3) s tim da je ovde jezgro obino zatvoreno. Vrlo retko, na primer kod indukcionog grejanja se koriste transformatori sa vazdunim jezgrom (bez feromagnetnog materijala). Namotaji se prave od bakarne ice sa lak izolacijom, ree od lima ili cevi.

Osnovi podaci za odreeni transformator su nazivna snaga, radna frekvencija, prenosni odnos i koeficijent sprege. Snaga je ograniena zasienjem i zagrevanjem. Radna uestanost uglavnom zavisi od materijala jezgra ali na viim frekvencijama bitan faktor je i raspored namotaja.

Prenosni odnos je odnos napona i struja na odgovarajuim namotajima to priblino odgovara odnosu broja zavojaka u tim namotajima. U sluaju dva namotaja na primer vai:

,

1

2

2

1

2

1

II

VV

NN

................................................................................................................(1.12.)

gde je: N1, N2 - brojevi zavojaka, V1, V2 naponi na odgovarajuim namotajima, I1, I2 struje kroz odgovarajue namotaje. Koeficijent sprege ima veze sa rasipanjem magnetnog fluksa transformatora. Ako bi sav

fluks prolazio kroz oba namotaja, koeficijent sprege bi bio jedinini odnosno 100% . U svakom realnom sluaju postoji rasipanje polja, to smanjuje koeficijent sprege ispod jedinine vrednosti. Posledica toga je promena prenosnog odnosa pri optereenju transformatora Transformatore sa koeficijentom sprege blizu 100% se koriste u jedinicama za napajanje i pojaavaima. Transformatori sa loijom spregom su predvieni za punjae akumulatora, za aparate za zavarivanje i za indukciono zagrevanje.

Glavna primena transformatora je prenos signala odnosno energije sa visokim stepenom iskorienja, bez galvanske sprege. U toku prenosa nivoi signala se mogu proizvoljno menjati to omoguava prilagoenje impedanse. Jednu posebnu vrstu transformatora ine autotransformatori i regulacioni transformatori. Kod njih ulazni napon se prikljuuje izmeu dve take jednog jedinstvenog namotaja, a izlaz se

Slika 1.6. Grafiki simboli za kalemove: a) opta oznaka, b) kalem sa feromagnetnim jezgrom, c) kalem promenljive induktivnosti, d) magnetno spregnuti kalemovi sa oznaavanjem poetaka motanja.

(d)(c)(b)(a)

15

skida sa druge dve take. Izostavljanjem drugog namotaja nazivna snaga transformatora kod datog jezgra se moe poveati. Nedostatak je to u ovom sluaju postoji galvanska sprega izmeu ulaza i izlaza.

Regulacioni transformator je specijalan autotransformator kod koga prikljuna taka izlaza se moe pomerati pomou jednog klizaa i time se moe kontinualno podeavati izlazni napon.

Jedan deo transformatora se moe nai kao gotova komponenta (na primer mreni transformatori) dok druge mora korisnik da proraunava i da mota na odgovarajue elino ili feritno jezgro.

Grafike oznake za razne tipove transformatora su prikazane na slici 1.7.

1.1.5. Hemijski izvori elektrine energije Veina elektronskih ureaja se napaja iz gradske mree ali kod prenosnih ureaja i ureaja

za besprekidno napajanje mora postojati alternativni izvor energije. Takvi alternativni izvori mogu biti hemijski izvori kod kojih se energija uva u vidu hemijskih jedinjenja. Hemijskim putem u datoj zapremini se moe akumulisati za nekoliko redova veliine vie energije nego u elektrinom polju kod kondenzatora. Nasuprot tome brzina vraanja energije iz hemijskih izvora je za redove veliina manja.

Hemijski izvori se sastoje iz odgovarajuih ploa izmeu kojih se nalazi elektrolit. Aktivni materijali za uvanje energije se nalaze na povrinama ploa.

Hemijske izvore delimo u dve grupe: akumulatori i suve elije. Akumulatori su ponovo punjivi nakon iskorienja sadrane energije dok suve elije nisu ponovo punjive.

Prema primenjenim materijalima razlikujemo olovne akumulatore, nikel-kadmijumove (NiCd) akumulatore, NiMH akumulatore, Li-ion akumulatore itd. Vrsta materijala dobrim delom odreuje radni vek akumulatora i koliinu energije koja se moe akumulisati u datoj zapremini (gustina energije).

Osnovni tehniki podaci za akumulatore su nazivni napon i kapacitet. Napon jedne elije obino nije dovoljan (1V-2V) zato se vie elija redno vezuje i dobijaju akumulatorske baterije. Kod akumulatora pod kapacitetom se podrazumeva ukupna koliina naelektrisanja (idt) koja se moe dobiti iz akumulatora u toku pranjenja. Stvarni kapacitet moe znatno da odstupa od nazivnog kapaciteta: sa porastom struje pranjenja dolazi do pada kapaciteta.

Radni vek akumulatora se moe zadati u godinama (u sluaju stand-by reima) ili preko oekivanog broja punjenja i pranjenja. Broj ciklusa moe da se menja od nekoliko stotina do nekoliko hiljada u zavisnosti od materijala i od tehnologije. Znaajan uticaj ima i vremenski tok punjenja i pranjenja.

Ranije su akumulatori proizvedeni sa tenim elektrolitom, u novije vreme sve vie ima akumulatora sa gel elektrolitom. Prednost ovih drugih je da se mogu okretati i ugraditi u bilo kom poloaju, elektrolit nee iscuriti.

Slika 1.7. Grafike oznake za transformatore: a) transformator bez feromagnetnog jezgra, b) transformator sa jezgrom, c) autotranformator, d) regulacioni transformator. (a) (b) (c) (d)

16

Po oblasti primene razlikujemo stand by akumulatore, startne akumulatore i akumulatore za elektrinu vuu. Kod stand by primena najvanije je malo samopranjenje i dugaak radni vek. Startni akumulatori moraju da podnesu velike struje pranjenja bez oteenja. Akumulatori za elektrinu vuu se prazne sa umerenim strujama ali moraju biti optimizirani na veliki broj ciklusa punjenja i pranjenja. Punjenje akumulatora zahteva izvesnu strunost i odgovarajui punja. Olovni akumulatori se pune sa takozvanom IV ili IVV metodom. Sutina IV metode je da se na poetku punjenja akumulator napaja konstantnom strujom a kad napon punjenja postie odgovarajui nivo, dalje se odrava konstantan napon uz opadajuu struju. Kod IVV metode poetak scenarije punjenja je slian kao kod IV metode, stim da je u poetku podeen vii naponski prag a kad struja u toku punjenja padne ispod nekog nivoa, prelazi se na nii napon korien kod IV metode. Uslonjavanje postupka punjenja je opravdano zbog skraivanja ukupnog vremena punjenja. Na slici 1.8 prikazani su karakteristini dijagrami za navedene dve metode.

Kod NiCd i NiMH akumulatora se takoe moe primeniti konstantna struja za punjenje, postoji meutim izvesna nesigurnost u odreivanju kraja procesa punjenja. Ranije su predlagali punjenje do proraunatog vremena pri emu se podrazumevalo da je akumulator bio potpuno prazan na poetku punjenja. Danas se primenjuje metoda dv/dt to polazi od toga da na kraju punjenja prestaju povoljni hemijski procesi i time stane i dalji porast napona akumulatora. Kad se ispuni uslov dv/dt0, punja treba automatski da se iskljui.

Suve elije, kao to je reeno, ne mogu se puniti. Najvaniji tehniki podaci za njih su nazivni napon, kapacitet (daje se samo u detaljnijim opisima) i dimenzije. Jedan deo njih se optimizuje na kratkotrajna ali velika optereenja. To su takozvani heavy duty tipovi koji se koriste u prenosnim radio prijemnicima, magnetofonima itd. Nasuprot tome kod long life tipova najvaniji je dugaak radni vek (nekoliko godina) pri maloj potronji. Ovi se primenjuju u asovnicima, daljinskim upravljaima televizora itd.

Grafike oznake hemijskih izvora su date na slici 1.9.

Slika 1.8. Krive punjenja olovnih akumulatorai: a) IV metoda, b) IVV metoda.

Slika 1.9. a) Akumulator ili suva elija od jedne elije, b) baterija izraena od vie suvih elija ili od vie akumulatorskih elija.

t[h]

IV

0 2 4 6 8 10 12t[h]

IV

0 2 4 614(a) (b)

(a) (b)

17

1.1.6. Hladnjaci Hladnjaci su elektromehanike komponente. Uloga im je da sauvaju druge komponente

velike snage od pregrevanja. Preuzetu toplotu izbacuju u okolinu (obino u okolni vazduh). Redovno se prave od aluminijuma uz odgovarajue oblikovanje da se dobije velika povrina (rebrasti profili).

Za hladnjake najvaniji podaci su toplotna otpornost i dimenzije. Toplotna otpornost se rauna po formuli:

PTRT

..........................................................................................................................(1.13.)

gde je: T prirataj temperature hladnjaka, P snaga predata hladnjaku. Hladnjak se mora tako dimenzionisati da temperatura elementa koji se hladi ne poraste iznad

dozvoljene vrednosti. Treba polaziti od najvie mogue temperature okoline i treba uzeti u obzir i unutranje prirataje temperature komponente koja se hladi. Po potrebi efekat hlaenja se moe pojaati dogradnjom ventilatora ili cirkulacijom tenog medijuma kroz hladnjak.

U veini sluajeva komponenta koja se hladi ne sme da bude u galvanskoj vezi sa hladnjakom. Ranije za izolaciju je korien liskun poto je liskun dobar elektrini izolator a ujedno i dobar provodnik toplote.

Zbog loih mehanikih osobina (krtost) danas se umesto liskuna koristi silikonska guma. Zahvaljujui svojoj elastinosti, silikonska guma ve pod laganim pritiskom ispunjava neravnine na kontaktnim povrinama hladnjaka i elementa koji se hladi. Takoe je prednost da se efekat hlaenja ne kvari ni nakon velikog broja ciklusa grejanja i hlaenja, isto se ne moe rei u vezi liskuna.

Ako je mogue, hladnjak treba postaviti van kutije ureaja (moe da se koristi kao jedan zid kutije), inae se moe oekivati pregrevanje celog ureaja. Alternativno reenje je da se obezbedi kanal za prolaz vazduha za hlaenje kroz kutiju (pravei odgovarajue rupe). Hladnjaci se obino ne obeleavaju na elektrinim emama. 1.1.7. Prekidai

Uloga prekidaa je modifikacija elektrinih kola po potrebi (povezivanje ili razdvajanje izvesnih taaka). Upravljanje sa njima moe biti mehaniko (pritiskom, povlaenjem...), elektromagnetom (sopstvenom ili spoljnom strujom), pod uticajem temperature (reagovanje na sopstveno grejanje ili spoljno grejanje), ili elektronsko (solid state releji). Osnovni podaci kod prekidaa su broj polova i broj poloaja, opteretljivost i parametri upravljanja. Pol je pokretni deo prekidaa koji moe da spaja odreene izvode prekidaa. Kod prostijih prekidaa postoji samo jedan pola ali za istovremeno obavljanje sloenijih funkcija prekidanja prave se viepolni prekidai. Broj poloaja definie u koliko razliitih poloaja se moe dovesti pol. U veini sluajeva nakon prebacivanja prekidai ostaju u novom poloaju, inae je re o tasteru.

U vezi opteretljivosti navode se izvesni naponi i struje. to se tie napona, vano je koliki napon moe da izdri prekida u toku iskljuivanja i u iskljuenom stanju. U vezi struje potrebno je znati termiku struju (vrednost koju prekida moe da tolerie u ukljuenom stanju) i struju prekidanja (struja koja moe da postoji pre iskljuivanja odnosno u toku iskljuivanja).

18

Bitno je znati da i u pogledu napona i u pogledu struje vae bitno drugaiji podaci pri naizmeninoj i pri jednosmernoj struji za isti prekida. Mnogo je lake prekinuti naizmeninu struju jer elektrini luk koji se javlja izmeu kontakata u toku prekidanja, prirodno se gasi pri prolascima naizmenine struje kroz nulu to nije sluaj kod jednosmerne struje. Iz ovog razloga naizmenina opteretljivost prekidaa je uvek daleko vea od jednosmerne.

Mehaniki prekidai se mogu aktivrati prebacivanjem, potiskivanjem, povlaenjem, okretanjem itd. Kod elektromagnetnih prekidaa (releji, kontaktori, zatitni prekidai) treba zadati struju, napon i otpornost namotaja koji vri upravljanje. Treba znati da li se upravljanje vri jednosmernom ili naizmeninom strujom.

Namotaji elektromagnetnih prekidaa koji se upravljaju naizmeninom strujom su manji od onih za jednosmernu struju. U toku aktiviranja krene velika struja kroz namotaj zbog male impedanse namotaja. U toku ukljuivanja zatvori se jezgro namotaja, poraste impedansa i pobudna struja padne na malu vrednost (koju prekida moe da izdri trajno).

Pri upravljanju jednosmernom strujom vrednost struje se ne menja u toku ukljuivanja, namotaj se dimenzionie tako da moe trajno da izdri veliku struju koja je potrebna za ukljuivanje.

Kod svakog elektromagnetnog prekidaa postoji izvestan histerezis u upravljanju: potreban je znatno vei signal za aktiviranje nego to je potrebno za odravanje stanja. U ovom pogledu problemi se obino pojavljuju pri iskljuivanju: ako upravljaki signal ne padne ba na nultu vrednost, prekida moe (grekom) da ostane u ukljuenom stanju.

Kod elektronskih prekidaa struju ne prenose mehaniki kontakti ve se otvara/zatvara izvestan poluprovodniki kanal. Poto i tu ima potrebe za galvanskim odvajanjem kanala od upravljakog signala, obino se koristi optika sprega.

S obzirom da postoji velik broj razliitih vrsta prekidaa, koristi se i veliki broj grafikih oznaka. Nekoliko od njih je prikazano na slici 1.10.

1.1.8. Elementi za spajanje Pod elementima za spajanje se podrazumevaju razliiti elektronski elementi ija uloga je da

omoguavaju elektrino sprezanje i rasprezanje izmeu odreenih delova ureaja. Tu ubrajamo redne stezaljke, konektore, utikae itd.

Redne stezaljke su metalni kontakti sa vijkom zaliveni u plastini nosa. Kod nekih postoje izvodi za lemljenje, kod nekih ne. Njihova uloga je da unutranje oienje ureaja uine lakim i pouzdanijim.

Konektori se sastoje iz metalnih vrhova ili aura koji su zaliveni u plastini nosa. Tako formirane komponente se leme u tampanu plou ili se montiraju na kabel. Sastavljanjem dela sa vrhovima i dela sa aurama moemo meusobno spajati tampane ploe, kabel sa tampanom ploom, itd.

Utikai omoguavaju spajanje odreenih taaka jedno po jedno. I ovi se sastoje od metalnih vrhova i aura ali su znatno masivnije izvedbe. Obino se koriste za povezivanje instrumenata u merno kolo.

Osnovni podaci u vezi elemenata za spajanje su broj kontakata (vrhovi ili aure), dimenzije i opteretljivost u pogledu napona i struje. Struja je limitirana zagrevanjem usled prelazne otpornosti kontakata a napon je odreen probojnim naponom plastinog nosaa.

19

Razni grafiki simboli koji se koriste za elemente za spajanje prikazani su na slici 1.11.

1.1.9. Osigurai U vanrednim situacijama (preoptereenje, kratak spoj) u elektronskim ureajima se

pojavljuju prevelike struje. Te prekostruje mogu da stvaraju znaajne probleme za ureaj i okolinu, moe da nastupi i poar.

Protiv prekostruja ureaj se moe zatititi primenom osiguraa. Zatita se ostvaruje na taj nain to osigura u kritinom momentu odvoji potroa od izvora energije. Treba odmah naglasiti da osigurai ne mogu da se koriste za tano ogranienje struje odnosno snage jer postoje velike tolerancije meu krivama okidanja pojedinih osiguraa. Takoe je vano napomenuti da je okidanje osiguraa relativno spor proces sem ako je prekostruja viestruka od nazivne (kratak spoj).

Iz sporosti okidanja sledi da se osigurai ne mogu koristiti za zatitu poluprovodnikih komponenti ali uspeno tite tampane veze, oienja, prekidae, konektore i druge elektromehanike komponente Na osnovu principa rada razlikujemo topljive, elektromagnetne i termike osigurae.

Aktivni deo kod topljivih osiguraa je jedna tanka nit koja se usled prekostruje pregreje i istopi i time prekine strujni krug u kome se nalazi. Vreme reagovanja (topljenja) se moe fabriki podeavati zato razlikujemo brze, obine i spore osigurae koji se redom obeleavaju slovima F, M i T. Brzi osigurai pruaju bolju zatitu ali kod potroaa kod kojih se regularno pojavljuju prekostruje nakon ukljuivanja (motor, transformator, prekidako napajanje) neophodno je koristiti spore osigurae.

to se tie mehanike izvedbe topljivih osiguraa, postoje staklene, porculanske i ploaste izvedbe. Kod staklenih osiguraa nit se namesti du osovine jedne staklene cevice iji krajevi se zatvaraju metalnim kapicama. Sline konstrukcije su i osigurai predvieni za povrinsku montau stim da se koristi keramiko telo i dimenzije su znatno mamje. Stakleni osigurai se ili montiraju na

Slika 1.11. Grafiki simboli elemenata za spajanje: a) konektor, b) redna stezaljka, c) utika.

Slika 1.10. Grafiki simboli za prekidae: a) jednopolni prekida, samo radni kontakt, b) jednopolni dvopoloajni (naizmenini prekida, c) elektromagnetni prekida (osigura), d) solid state relej.

(a) (b) (c) (d)

12345

12345

(a) (b) (c)

20

elastine metalne nosae u tapanoj ploi ili se postavljaju u plastina kuita montirana na zid kutije.

Telo porculanskih osiguraa je vretenastog oblika, aktivni deo se nalazi du osovine, krajevi su zatvoreni sa metalnim kapicama. Obino se primenjuju u energetici jer se na ovaj nain mogu proizvesti osigurai za veliki napon i veliku struju.

Ploaste osigurae najvie primenjuju u industriji automobila. Dve ploice koje ujedno ine izvode povezuju sa tankom provodnom trakom, a zatim se sve to zalije u plastino kuite. Ovako dobijeni osigurai su relatino sporog okidanja, pogodni su za niske napone i velike struje.

Elektromagnetni osigurai su u stvari prekidai koji se iskljuuju sopstvenom strujom. Vrlo su popularni jer nakon aktiviranja mogu se ponovo vratiti u radni poloaj (nita ne pregori) i ujedno mogu da slue i kao prekidai za ukljuivanje/iskljuivanje ureaja (mada ne mogu da podnesu toliki broj prekidanja kao pravi prekidai). Termikih osiguraa ima dve vrste: topljive i bimetalne izvedbe. Topljivi termiki osigurai sadre specijalnu leguru koja se topi na tanoj temperaturi i time se prekine strujni krug. Ugrauju se u namotaje transformatora i motora, nametaju se pored grejaa i na taj nain pruaju zatitu od pregrevanja. Aktivni deo bimetalnih termikih osiguraa ini jedno pare lima presovano od dve vrste metala. Usled razliitog termikog koeficijenta irenja, pri promeni temperature, dolazi do deformacije lima. Na odreenoj temperaturi deformacija bude tog nivoa da se prekinu kontakti vezani na lim i time se prekine strujni krug. Lim moe da se greje usled struje kroz njega (u sluaju zatite motora) ili od okoline (zatita grejaa).

Za razliku od drugih osiguraa termiki osigurai iskljuuju pri dosta tanoj vrednosti struje odnosno temperature. Kod bimetalnih osiguraa redovno postoji i mogunost podeavanja praga iskljuivanja. Pored dimenzija osnovni tehniki podaci za osigurae su nazivna vrednost struje i napona (kod termikih osiguraa i temperatura). Nazivnu struju osigurai mogu da izdre trajno, reagovanje se deava iznad te struje. Vreme reagovanja zavisi od veliine prekostruje to se daje u vidu dijagrama Nazivni napon predstavlja maksimalnu vrednost napona koju osigura moe da trpi u toku prekidanja strujnog kola. U sluaju pogrenog dimenzionisanja moe da se desi da pri prekidu niti struja nastavi da tee kroz nastali elektrini luk. Tako nastaju veliki gubici to dovodi do razaranja tela osiguraa i razorno dejstvo moe da se proiri i na okolinu.

I kod osiguraa vai primedba koja je data kod prekidaa: mnogo lake se prekida naizmenini strujni krug poto se u tom sluaju luk prirodno gasi pri prolascima naizmenine struje kroz nulu. Osigurai konstruisani za veliki jednosmerni napon su zato nesrazmerno veliki.

Grafiki simboli za razne tipove osiguraa su dati na slici 1.12.

1.1.10. Senzori Senzori su komponente koje primaju i pretvaraju neelektrine signale sredine u kojoj se

nalaze. Veliina koju treba detektovati i pretvarati moe biti temperatura, pomeraj (translacija, rotacija, istezanje), pritisak, svetlost ili drugo elektromagnetno zraenje, magnetno polje itd.

Slika 1.12. Grafiki simboli osiguraa: a) topljivi osigura, b) elektromagnetni osigura, c) bimetalni osigura. (a) (b) (c)

21

Temperatura je verovatno najee merena neelektrina veliina zato je razvijeno puno tipova senzora. Tu spadaju neki NTC i PTC otpornici (videti taku 1.1.1) i termoparovi. Termoparovi se sastoje od dve ice razliitog hemijskog sastava. Po jedan kraj od tih ica se spoji zavarivanjem a izmeu slobodnih krajeva se moe meriti napon koji je srazmeran razlici temperature izmeu spojenih i slobodnih krajeva. Obrada signala termopara zahteva veliku panju jer dobijeni napon je vrlo male vrednost. Za postizanje i odravanje jedne temperature mogu se primeniti i bimetalni sklopovi.

Detekcija pomeraja moe da se ostvari kontinualnim i diskretnim (digitalnim) senzorima. Potenciometri daju kontinualan signal (promena otpornosti). Slina je situacija i kod nekih induktivnih senzora. Kod njih pri pomeranju senzorskog kalema ili pri pomeranju nekog metalnog dela u blizini senzorskog kalema dolazi do promene neke elektrine veliine (napon, frekvencija) u strujnom kolu kalema. Po potrebi izlaz induktivnog senzora moe da se digitalizuje (ukljuivanje/ iskljuivanje u odreenoj poziciji). Merne trake se formiraju od tankih metalnih traka koji se vrsto zalepe na odreenu metalnu povrinu . Pri elastinoj deformaciji metalnog dela pod uticajem sile dolazi do promene otpornosti trake. Veliina promene je izuzetno mala zato obrada dobijenih signala zahteva primenu preciznih kola. Glavna oblast primene mernih traka su elektronske vage. Enkoderi su senzori pomeraja sa digitalnim izlazom. Svetlosni mlaz opipava linije odnosno tamne i svetle povrine sa optikog diska i dobijeni rezultat se pretvara u brojni kod. Glavna oblast primene su delovi za pozicioniranje kod alatnih maina i mainski merni instrumenti sa digitalnim prikazivanjem rezultata. Senzori svetlosti se redovno prave na bazi poluprovodnika. Upadajua svetlost modifikuje broj slobodnih nosilaca ili utie na unutranje elektrino polje to spolja gledano prouzrokuje promenu otpornosti, struje odnosno napona. Koriste se mnogi razliiti senzori svetlosti u alarmnoj tehnici, ali ima i drugih primena, na primer ukljuivanje/iskluivanje javne rasvete, zatita rukovaoca kod opasnih maina itd. Pod uticajem magnetnog polja rade reed-prekidai i Hall-ove sonde. Reed-prekidai su metalni kontakti od feromagnetnog materijala zatopljeni u staklenu cevicu. U prisusutvu magnetnog polja kontakti se privuku i zatvaraju spoljanji strujni krug. Magnetno polje redovno potie od stalnog magneta. Uz pomo tih senzora rade digitalni merai brzine na biciklama, neki granini prekidai, detektori rotacije itd.

Kod Hall-ovih senzoa proputa se struja kroz jednu poluprovodniku ploicu. U prisusutvu magnetnog polja pojavljuje se napon izmeu dve ivice ploice. Na tom principu mogu se meriti magnetna polja elektrinih maina, ali se moe ostvariti i beskontaktno merenje struje. Grafiki simboli nekih senzora su dati na slici 1.13.

1.1.11. Provodnici i kablovi Za unutranje oienje, motanje i spoljno povezivanje ureaja koriste se razni provodnici i kablovi. Provodni deo se skoro iskljuivo pravi od bakra, eventualno se povrina pocinkuje (Zn) ili posrebri (Ag). Kao izolacioni materijal koristi se lak, PVC, polietilen, guma i ponekad svila i papir.

Slika 1.13. Grafiki simboli za razliite senzorske komponente: a) termopar, b) detektor poloaja sa potenciometrom, c) reed-prekida. (a) (b) (c)

22

ice sa lak izolacijom se uglavnom koriste za namotaje elektrinih maina. Lak je dobar elektrini izolator, podnosi dosta visoke temperature, na alost mehaniki je jako osetljiv poto se koristi vrlo tanak sloj laka. Ipak za namotavanje su ove ice najbolje jer omoguavaju racionalno korienje prostora za motanje (izolacioni sloj zauzima samo mali deo preseka), takoe preko njih se ostvaruje efikasan prenos toplote iz unutranjosti elektrinih maina. PVC izolacija je jeftina, elastina i veliki joj je probojni napon. Nedostatak je to se PVC ve na 70oC omeka a oko 0oC je ve jako krut, lomljiv. Takoe je nedostatak to su joj veliki dielektrini gubici na visokim frekvencijama, zato se ne moe koristiti u radiotehnici. Gubici polietilena su znatno manji, zato se na primer izolacija antenskih kablova pravi od polietilena. Prednost gumene izolacije je to izdrava visoke temperaturu i ne gubi elastinost u irokom temperaturnom podruju.

Osnovni tehniki podaci u vezi kablova su broj ila (provodnika), presek provodnika, sastav i konstrukcija izolacionog sistema. Provodnici se mogu praviti od pune ice i od licni. Licnasti kablovi se mnogo lake savijaju i oblikuju i tee se lome. Presek kabla moe biti okrugao ili pljosnat (trakasti kablovi). Za prenos osetljivih signala koriste se irmovani kablovi. Kod tih kablova ispod spoljne izolacije nalazi se metalni plat koji priguuje razne smetnje.

1.1.12. Kutija ureaja U veini sluajeva elektronski ureaji se ugrauju u kutiju koja sa jedne strane pridrava,

fiksira odreene blokove i komponente, sa druge strane prua zatitu od mehanikih oteenja, praine, hemikalija i stranih polja. Kutija se moe napraviti od metala ili od plastike. Prednost plastike je to obezbeuje besplatnu izolaciju to ini suvinim druge metode zatite od opasnog napona dodira. Mana je to veina plastinih materijala se omeka pri porastu temperature, loe odvode toplotu nastalu u kutiji i postoji opasnost od poara. Metalne kutije (elik ili aluminijum) bolje podnose mehanika optereenja i poviene temperature. Kod njih obavezna je primena zatitnog uzemljenja. Pri unutranjoj montai mora se paziti da se delovi ureaja pod opasnim naponom ne smeste blizu metalnih delova kutije. Pri montai delovi ureaja se mogu fiksirati direktno na zidove kutije ili na neki ram ili ine. Poeljno je drati se pravila da spolja treba da su pristupani samo oni vijci koji slue za otvaranje kutije. Kod velikoserijskih proizvoda proizvoai konstruiu svoju kutiju ili im to neko drugi iskonstruie. Kod pojedinanih i maloserijskih proizvoda na raspolaganju je veliki izbor gotovih tipskih kutija. U sluaju skromnijih zahteva, uz pomo odgovarajuih alata za seenje i savijanje lima kutija se moe napraviti i u kunoj reiji.

23

1.2. AKTIVNE KOMPONENTE

Nastajanje i razvoj elektronike su omoguili aktivni elementi. Prvo su se pojavile elektronske cevi i vladali su u elektronici u prvoj polovini XX veka. Njihovo korienje su ograniavali veliki gabariti i znaajna potronja.

U meuvremenu je uloeno puno truda u razvoj poluprovodnikih sklopova ali komponenta koja je mogla vriti kontrolisano prekidanje i pojaanje je iznaena tek posle drugog svetskog rata (1946). Ta komponeta je bila bipolarni tranzistor, ona je u primeni sve do danas. Nakon tog pronalaska usledila je serija drugih pronalazaka iz kojih su proizali tiristori i razne varijante tranzistora sa efektom polja.

Pored diskretnih elemenata ubrzo se razvijala i integrisana tehnika (poev od 1958. godine), gde se na jednoj poluprovodnikoj ploici moe napraviti i povezati vei broj aktivnih i pasivnih komponenti. Zahvaljujui integrisanoj tehnici, postignuta je znaajna minijaturizacija to je omoguila razvoj i primenu novih, sloenih kola. U ovom delu e se napraviti kratak pregled vanijih diskretnih elemenata.

1.2.1. Diode Poluprovodnike diode su svoj naziv nasledili od elektroskih cevi sline namene, sa dve

elektrode. Diode ne mogu da vre pojaanje signala (struja, napon) ali u ogranienom smislu mogu da vre prekidanje. Tanije reeno, grana elektrinog kola koja sadri diodu postaje jednosmerna. Mnoge primene su upravo bazirane na tom svojstvu (usmerai, limiteri napona, demodulatori).

U idealnom sluaju karakteristika diode se sastoji iz dve poluprave (slika 1.14). Od dva mogua smera dioda u jednom smeru (direktni smer) proputa struju, pri tome ispoljava zanemarljivi pad napona. U drugom smeru (inverzni smer) ne moe da potekne znaajna struja, bez obzira na primenjeni napon.

Poluprovodnika dioda je dvoslojne strukture (slika 1.15) koja se formira tako da se u jedan deo poluprovodnike ploice (P sloj) dodaju primesni atomi iji je broj valentnih elektrona manji od broja valentnih elektrona polaznog poluprovodnika dok se u drugi deo (N sloj) dodaju atomi sa veim brojem valentnih elektrona. U P sloju na mestu valentnih elektrona postoji manjak elektrona to odgovara pozitivnom naelektrisanju (upljina), isto moe da se pomera pod uticajem elektrinog polja i moe da uestvuje u provoenju elektrine struje. U N delu postoje slobodni elektroni koji takoe mogu da provode struju.

Slika 1.14. Strujno-naponska karakteristika idealne diode.

V

I

24

Povezivanjem diode u spoljno kolo struja moe da potekne od P sloja prema N sloju a u suprotnom smeru ne moe da doe do proticanja struje. To se objanjava time to elektrino polje usmereno od P dela prema N delu moe da prebaci upljine u N oblast i elektrone u P oblast, a pri suprotnom smeru elektrinog polja ne postoje nosioci koji bi prelazila preko granine oblasti (PN spoj). Postojei nosioci naelektrisanja pod uticajem spoljnog polja e se u ovom sluaju udaljiti od granine oblasti. Time se objanjava usmerako dejstvo diode.

Nakon dopiranja primesnim atomima na poluprovodniku ploicu se prikljue izvodi (na P deo se prikljuuje anoda A, na N deo katoda K) i ugrade je u odgovarajue kuite.

Strujno-naponska karakteristika poluprovodnike diode je eksponencijalna, moe se opisati sledeom formulom:

)1()1( kTqV

SVV

S eIeII T

.........................................................................................(1.14.)

gde je: IS struja zasienja, faktor koji zavisi od primenjenog poluprovodnika (konstanta), VT termiki napon, q naelektrisanje elektrona, k Boltzmanova konstanta, T apsolutna temperatura. Stvarna karakteristika je prikazana na slici 1.16. Obino se smatra da je ova karakteristika

dobra aproksimacija idealne karakteristike sa slike 1.14. U inverznom smeru struja je zaista zanemarljiva (I=-IS0) , meutim u direktnom smeru neophodno je uzeti u obzir konaan prag otvaranja odnosno pad napona (obino spada u opseg od 0,5V do 1V). U sluaju velikog inverznog napona kod stvarne diode se pojavljuje proboj (slika 1.16).

Pri priblinoj analizi elektronskih kola sa diodama koriste se modeli dati na slici 1.17. U direktnom smeru pad napona se uzima u obzir sa naponskim generatorom konstantnog napona (VD), nezavisno od vrednosti struje, dok u inverznom smeru prosto prekidamo granu koja sadri diodu. Smer polarizacije diode (direktan ili inverzan) treba odrediti iz preostalog dela kola. Na visokim frekvencijama odnosno u prekidakom reimu treba uzeti u obzir parazitne kapacitete poluprovodnikih slojeva i konano vreme ukljuivanja/iskljuivanja.

Pored osnovne varijante poluprovodnike diode razvijeno je i nekoliko posebnih vrsta. To su: Zener-ova dioda, tunel dioda, varikap dioda i Schottky-jeva dioda. Grafiki simboli za razne diode su dati na slici 1.18.

Zener-ova dioda je predviena da trajno radi u probojnoj oblasti, naravno inverznu struju odnosno snagu gubitaka (proizvod napona i struje) treba ograniiti. Poto je probojni napon relativno stabilne vrednosti, Zener-ove diode su pogodne za formiranje izvora referentnog napona ali mogu da se koriste i za ogranienje napona (zatita od prenapona).

Slika 1.15. Struktura poluprovodnike diode.

P

N

A

K

25

Karakteristika tunel diode nije monotono rastua, ve sadri jedan segment sa negativnom diferencijalnom otpornou. Zahvaljujui negativnoj otpornosti sa tunel diodom se mogu konstruisati oscilatori, modulatori itd. za visoke uestanosti.

Kod varikap dioda iskoriava se pojava da kapacitet slojeva poluprovodnika zavisi od primenjenog inverznog napona. Varikap diode se koriste za podeavanje ureaja, za nametanje frekvencije.

Umesto dva sloja poluprovodnika Schottky-jeve diode se sastoje od sloja metala spojenog sa slojem poluprovodnika. Ovom konstrukcijom moe se otprilike prepoloviti pad napona na diodi, to kod primena za velike struje donosi znaajnu utedu. U drugim sluajevima ista osobina omoguava efikasniju limitaciju napona nego to je mogue sa diodom sa PN spojem. Nedostatak strukture metal-poluprovodnik je to se ne mogu realizovati komponente sa velikim inverznim probojnim naponom. Osnovni tehniki podaci za diode su: - Radna struja (srednja vrednost - IFAV, ili efektivna vrednost - IFRMS) je ona vrednost struje koju dioda moe trajno da izdri pri izvesnoj temperaturi kuita.

Slika 1.17. Priblini mreni modeli za diode: a) u provodnom stanju, b) u zakoenom stanju.

Slika 1.18. Grafiki simboli za razne diode: a) obina dioda, b) Zener-ova dioda, c) tunel dioda, d) varikap dioda, e) Schottky-jeva dioda. Kod svih oznaka gornji kraj je anoda.

Slika 1.16. Stavrna karakteristika poluprovodnike diode.

~ ~

I

V

V =const.

A K++

D

ID A KI =0D

(a) (b)

(b)(a) (c) (d) (e)(e)

26

- Dioda se kratkotrajno moe opteretiti sa vrnom strujom koja je obino za red veliine vea od radne struje. Detaljniji katalozi posebno daju ponavljajuu (IFRM) i jednostruku vrnu vrednost struje (IFSM).

- Probojni napon (VBR) je najvei napon do koje dioda moe da se primenjuje. - Pri naglom prelasku iz direktnog smera u inverzni, kroz diodu moe u kratkom vremenu da

proe znaajna struja dok se ne isprazne svi nosioci naelektrisanja iz okoline PN spoja. To kratko vreme je vreme oporavka diode (trr). Po ovom kriterijumu diode delimo na obine, brze i ultrabrze.

U zavisnosti od struje, napona i oblasti primene poluprovodnike diode se ugrauju u razna kuita, od koji je nekoliko prikazano na slici 1.19.

1.2.2. Bipolarni tranzistori Bipolarni tranzistor je istorijski gledano prva poluprovodnika komponenta koja primenom

kontrolnog signala u pomonom strujnom kolu moe postepeno ili skokovito da menja struju u glavnom strujnom kolu. Sam naziv tranzistor je engleska kovanica (transfer+resistor) to upuuje na kontrolabilnu otpornost. Atribut bipolarni (koji se esto i izostavlja) je u upotrebi jer obe vrste nosioca naelektrisanja (elektroni i upljine) igraju znaajnu ulogu u radu bipolarnog tranzistora.

Po strukturi bipolarni tranzistor je troslojna komponenta, drugaije reeno sadri dva PN spoja kod kojih je jedan od slojeva (baza B) zajednika. Spoljanji slojevi ine emitor (E) i kolektor (C). Poto je baza tanka, izmeu navedenih PN spojeva postoji meusobni uticaj, struja jednog PN spoja modifikuje struju drugog PN spoja.

Slojevi poluprovodnika P i N tipa se mogu poreati na dva naina u strukturi tranzistora: tako postoji NPN i PNP tranzistor. Dva mogua reenja sa svojim grafikim simbolima su prikazana na slic 1.20. Karakteristike NPN tranzistora su redovno bolje zato se ee koriste u praksi. Postoje meutim elektronska kola koja su reiva samo PNP tranzistorima ili primenjuju obe vrste tranzistora.

Slika 1.19. Razni oblici kuita za diode: a) kuite za povrinsku montau SOD-123, b) aksijalno kuite DO-41, c) plastino kuite TO-220AC, d) metalno kuite DO-4 sa navojem.

(a) (b) (c) (d)

27

Tipian nain polarizacije NPN tranzistora je dat na slici 1.21. Po navedenoj emi spoj kolekto-baza (CB) je inverzno polarizovan odakle bi sledilo da ne provodi struju odnosno da u glavnom strujnom kolu nema struje. To e i vaiti sve dok ne pokrenemo struju u pomonom strujnom kolu. Pri pozitivnoj polarizaciji spoja BE krene pomona struja, dovode se nosioci naelektrisanja u blizinu spoja kolektor-baza to dovodi do nastanka glavne struje.

Postepenom promenom struje u pomonom strujnom kolu struja u glavnom strujnom kolu se takoe menja postepeno (to je takozvani linearni ili pojaavaki reim), a skokovita promena dovodi do ukljuivanja/iskljuivanja glavne struje (prekidaki reim). U oba sluaja snaga signala primenjenog u pomonom strujnom kolu je za redove veliina manja od snage regulisane u glavnom strujnom kolu.

Osnovni problem oko matematikog opisivanja tranzistora je da treba dati vezu izmeu tri napona (VBE, VCB, VCE) i tri struje (IC, I E, IB). Olakavajua okolnost je da su samo po dva napona i dve struje meusobno nezavisne, trea se uvek moe izraziti kao zbir ili razlika prve dve.

Od raznih matematikih modela za opisivanje tranzistora zlatnu sredinu (u pogledu sloenosti i tanosti) ine Ebers-Moll-ove jednaine. Za NPN tranzistor te jednaine su sledee:

)1()1( TBC

T

BE

VV

SCRV

V

SEE eIeII ..............................................................................(1.15.)

Slika 1.20. a) Struktura i simbol NPN tranzistora, b) struktura i simbol PNP tranzistora. Tu su izvodi oznaeni odgovarajuim slovima, to kasnije nee se praktikovati.

Slika 1.21 Uobiajeni nain polarizacije NPN tranzistora: I u pomonom strujnom kolu, II - u glavnom strujnom kolu.

N

P

C

E E

C

N

N

P

P

B B

(a) (b)

C

C

Q

RE RC

VEEVCC

28

)1()1( TBE

T

BC

VV

SEFV

V

SCC eIeII ............................................................................(1.16.)

gde je: ISE struja zasienja spoja BE, ISC - struja zasienja spoja BC, F - faktor strujnog pojaanja od emitora prema kolektoru, R faktor strujnog pojaanja od kolektora prema emitoru. Odgovarajuim promenama predznaka jednaine (1.15) i (1.16) se mogu primeniti i na PNP

tranzistor. Prvi lanovi na desnim stranama jednaina daju struje odgovarajueg PN spoja za sluaj da ne postoji meusobni uticaj PN spojeva, dok drugi lanovi upravo potiu od meusobnog uticaja (tranzistorski efekat).

Pri grafikom prikazivanju navedenih jednaina ne moe se govoriti o krivama nego o familijama krivih. Oblik krivih zavisi od toga, izmeu kojih promenljivih se prikazuje veza, ali i od toga koji izvod se smatra za ulaz, izlaz i referentnu taku. Slika 1.22 prikazuje tipinu familiju ulaznih karakteristika a na slici 1.23 su izlazne karakteristike. U oba sluaja emitor je uzet za zajedniku taku u pomonom i glavnom strujnom kolu. U ovakvom sluaju govorimo o vezi tranzistora sa zajednikom bazom. Na slian nain se moe formirati i veza sa zajednikim kolektorom i zajednikom bazom.

Slika 1.22. Ulazne karakteristike NPN tranzistora (za jedan tipian tranzistor za male signale).

Slika 1.23. Izlazne karakteristike NPN tranzistora (za jedan tipian tranzistor za male signale).

V [V]

V =0VCEV =0,2VCE

V =5VCE

-5

I [uA]B

20

40

60

80

100

I [mA]

V [V]

C

CE2 4 6 8 10 12

1

2

3

4

I =0uA

I =10uA

I =20uA

I =30uA

I =40uA

B

B

B

B

B

00

29

Iz sloenosti tranzistora proizilazi da se u toku eksploatacije mogu razlikovati razliiti radni reimi. Za potrebe pojaanja tranzistor se dovodi u aktivni reim. Preduslov za aktivni reim je direktna polarizacija spoja BE i inverzna polarizacija spoja BC. U aktivnom reimu vai priblino linearna veza izmeu struje kolektora i struje baze:

BC II ........................................................................................................................(1.17.)

gde je: faktor strujnog pojaanja od baze prema kolektoru. Napon VBE je priblino konstantne vrednosti u celom aktivnom reimu. Po tome u aktivnom

reimu za priblini proraun tranzistorskih kola moemo koristiti mrene modele prikazane na slici 1.24 (modeli za velike i male signale). Pri upotrebi tranzistora na visokim frekvencijama potrebno je uzeti u obzir i parazitne kapacitete izmeu slojeva poluprovodnika to je na slici 1.24.b naznaeno isprekidanom linijom.

Granice aktivnog reima ine zasienje i zakoenje. Inverznom polarizacijom spoja BE (pretpostavimo da je spoj BC ve ranije bio inverzno polarizovan zbog aktivnog reima) pomona struja padne na nulu i govorimo o zakoenju. U ovakvom sluaju celo modelovanje se svodi na odstranjivanje tranzistora iz kola poto su mu sve struje priblino nulte vrednosti.

Tranzistor ulazi u zasienje ako mu se oba PN spoja direktno polariu. U takvom sluaju se moe smatrati da su padovi napona na PN spojevima priblino konstantne vrednosti a struje su odreene spoljanjim elementima. Jedino mora vaiti nejednakost IC

30

maksimalnom strujom kolektora (ICM), probojnim naponom BVCE (eventualno BVCB), maksimalnom snagom gubitaka i sekundarnim probojem.

Smisao maksimalnih struja i napona je slian kao kod dioda. Snaga gubitaka je limitirana pregrevanjem poluprovodnike ploice. Hlaenjem kuita tranzistora dozvoljena snaga gubitaka se moe poveati.

Sekundarni proboj je sloena pojava koja u prekidakom reimu dovodi do stradanja tranzistora. Sutina je u tome da u momentu iskljuivanja nastaje velika gustina struje u baznoj oblasti koja je daleko od izvoda baze odnosno pri ukljuivanju struja se skoncentrie oko baznog prikljuka. U oba sluaja tranzistor gubi kontrolu i od lokalnog pregrevanja propadne (pukne ili se istopi poluprovodnika ploica).

U zavisnosti od snage za koju su predviene, bipolarni tranzistori se ugrauju u razliita kuita. Nekoliko izvedbi je prikazano na slici 1.27.

Slika 1.27. Tranzistorska kuita: a) kuite SOT-23 za povrinsku montau, b) izvedba TO-92, c) izvedba TO-126, d) izvedba TO-220, e) izvedba TO-247, f) izvedba TO-3, g) tranzistorski modul velike snage.

Slika 1.26. Granice oblasti sigurnog rada bipolarnog tranzistora (SOAR): I maksimalna struja, II maksimalni napon, III maksimalna snaga, IV sekundarni proboj.

I

II

III

IV

I

V

I

CEBVCE

CM

C

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g)(g)

31

1.2.3. Spojni fetovi (jfet, fet) Ideja o kontroli poluprovodnikog kanala poprenim elektrinim poljem je daleko starija od

bipolarnog tranzistora (Lilinfeld, 1925), meutim na realizaciju je trebalo puno ekati. Tehnoloka dostignua vezana za razvoj bipolarnog tranzistora su omoguila realizaciju takvih poluprovod-nikih kanala koja su pokazala zadovoljavajuu osetljivost, odnosno bila su pogodna za upravljanje.

Od tranzistora sa efektom polja prvo su se pojavili spojni fetovi (jfet). Naziv (junction field effect transistor tranzistor sa efektom polja na bazi PN spoja) ukazuje na injenicu da, sa jedne strane, upravljaki signal je izolovan od kanala pomou PN spoja, odnosno sa druge strane napon polarizacije PN spoja modifikuje provodnost kanala. Struktura jfeta je prikazana na slici 1.28. Polaznu poluprovodniku ploicu N tipa dopiraju atomima P tipa sa obe strane, tako se formiraju PN spojevi sa obe strane kanala. Tako se pravi N kanalni jfet. Polazei od ploice P tipa, sa N tipom dopiranja, dobija se P tip jfeta. Odgovarajue grafike oznake su takoe prikazane na slici 1.28. Izvodi kanala imaju sledee nazive: drejn (drain-D i sors (source-S). Upravljaka elektroda sa nazivom gejt (gate-G) se formira tako to se dva bona izvoda sa poluprovodnike ploice spoje.

Princip rada jfeta je relativo prost. Bez polarizacije PN spojeva (VGS=0) kanal provodi relativno dobro. Pri inverznoj polarizaciji isprazne se nosioci naelektrisanja iz dela kanala u okolini PN spoja i time se smanjuje provodnost kanala. Kontrola kanala moe da bude postepena (pojaavaki reim) ili skokovita (prekidaki reim). Kod jfetova se ne primenjuje direktna polarizacija. To prilino uproava modelovanje jer se uvek moe uzeti da je struja upravljake elektrode (gejt) uvek jednak nuli. Ponekad tranzistori sa efektom polja se zovu i unipolarni tranzistori jer, u zavisnosti od tipa, struju provode ili samo elektroni ili samo upljine.

Matematiki opis jfeta daje formula:

2

12P

DS

P

DS

P

GSDSSD V

VVV

VV

II ............................................................................(1.18.)

gde je:

Slika 1.28. Struktura i grafiki simbol za a) N kanalni i b) P kanalni jfet. Na grafikim oznakama dati su slovni simboli za pojedine izvode, to se pri normalnoj upotrebi ne praktikuje.

(a) (b)

G

G

S DP

P

N

G

G

S DN

N

P

G G

S SD D

32

IDSS struja zasienja, VP napon stiskanja kanala. Duga jednaina nije ni potrebna jer vai IG=0, IS=ID. Zadata jednaina vai u takozvanoj

triodnoj oblasti, granice te oblasti su definisane nejednainom: 0

33

Pri formiranju mrenog modela za jfet kanal se zamenjuje sa kontrolisanim strujnim izvorom iju struju raunamo po formuli 1.18 ili 1.21. (slika 1.31.a). Kod malih signala navedene jednaine se mogu linearizovati, tako dolazimo do modela na slici 1.31.b. Na visokim frekvencijama moraju se uzeti u obzir i parazitni kapaciteti prikazani isprekidanim linijama.

Jfetovi imaju brojnu primenu i u analognoj i u digitalnoj tehnici i kao diskretne i kao integrisane komponente. Poto se ne proizvode komponente za vee snage, koriste se samo nekoliko kuita za povrinsku montau i kuite TO-92 spomenuto kod bipolarnih tranzistora.

Osnovni tehniki podaci za jfetove su probojni naponi (BVGS, BVDS), maksimalna struja drejna (IDMAX) i maksimalna snaga gubitaka (PDMAX). Ovi podaci odreuju granice oblasti sigurnog rada. Dodatni podaci su napon stiskanja kanala (VP) i struja zasienja (IDSS).

1.2.4. Mosfetovi Drugu grupu unipolarnih tranzistora odnosno tranzistora sa efektom polja ine mosfetovi razliite vrste. Skraenica MOS (metal-oxide-semiconductor) upuuje na troslojnu strukturu od metala, silicijum dioksida kao izolatora i poluprovodnika (slika 1.32).

Slika 1.30. Izlazne karakteristike jfeta (za tipinu N kanalnu komponentu).

Slika 1.31. Mreni modeli jfeta: a) za velike signale, b) za male signale.

Slika 1.32. Troslojna MOS (metal-oksid-poluprovodnik) struktura.

I [mA]

V [V]

D

DS

GS

GS

GS

GS

GS

V =0V

V =-1V

V =-2V

V =-3V

V =Vp00

2

3

4

1

2 4 6 8

I =f(V ,V )

G D

S S

(a)

GS DSD

g Vm gsC

C

gs

gdG

S S

D

(b)

Al SiO2

Si

34

Sloj poluprovodnika (Si-silicijum) ini kanal iju provodnost treba da modifikuje napon doveden na sloj metala (Al-aluminijum). Eventualnu galvansku spregu izmeu sloja metala i poluprovodnika spreava sloj oksida sa izolacionim svojstvom. Kanal moe biti od N tipa ili P tipa poluprovodnika; po tome razlikujemo N kanalne i P kanalne mosfetove. Za razliku od jfetova gde je dovedni napon na gejt mogao samo da smanji provodnost kanala, ovde smo svedoci dvojakog ponaanja. Kod takozvanih mosfetova sa ugraenim kanalom zavisno od smera polarizacije na gejtu provodie struju bolje ili loije nego bez polarizacije. Kod mosfetova sa ugraenim kanalom bez polarizacije nema struje kroz kanal. Grafiki simboli i prenosne karakteristike za sva etiri mogua tipa mosfeta su prikazane na slici 1.33.

Izvodi mosfetova se nazivaju na isti nain kao kod jfetova. Prikljuci kanala su drejn D-drain) i sors (S-source) a upravljaka elektroda je gejt (G-gate). Pri simetrinoj konstrukciji drejn i sors bi mogli slobodno menjati ulogu, u stvarnosti meutim veina komponenti nije simetrina.

Zadati grafiki simboli nisu i najpopularniji. U sluaju d nije potrebno naglasiti da li je komponenta sa ugraenim kanalom ili sa indukovanim kanalom, koriste se uproene oznake sa slike 1.34.

Familija izlaznih karakteristika je u svakom sluaju slina (slika 1.35) s tim da se razlikuje opseg za napon VGS i razliit je smer struje ID i napona VDS kod N kanalnih i P kanalnih izvedbi.

Slika 1.33. Grafiki simboli i prenosne karakteristike za razliite tipove mosfetova (smatrjui ulazni smer struje): a) sa ugraenim N kanalom, b) sa indukovanim N kanalom, c) sa ugraenim P kanalom, d) sa indukovanim P kanalom. Na grafikim oznakama su navedene i slovne oznake izvoda to kasnije nee biti potrebno.

Slika 1.34. Uproeni grafiki simboli za a) N kanalni i b) P kanalni mosfet.

I

VV

D

GS

I

VV

D

GS

I VVD GSI VVD GS

(a) (b) (c) (d)

D D D D

G G G GG

SSSS

(a) (b)

D D

G G

S S

35

Za mosfetove sa ugraenim kanalom vai isti matematiki model kao za jfetove. Kod varijante sa indukovanim kanalom meutim u triodnoj oblasti koristi se jednaina (za N tip kanala):

22 DSDSTGSD VVVVKI ........................................................................................(1.22.)

gde je: K odgovarajua konstanta, VT prag otvaranja. Za male vrednosti VDS jednaina 1.22 se uproava na oblik (Omska oblast):

DSTGSD VVVKI 2 .................................................................................................(1.23.)

U ovom sluaju moe se smatrti da je kanal ustvari naponom kontrolisana otpornost sledee vrednosti:

TGSDS VVKR

21

......................................................................................................(1.24.)

Poveanjem napona VDS iznad granice VDS=VGS-VT ulazi se u oblast zasienja. Tu prestaje dalji porast struje, vai formula:

2TGSD VVKI .........................................................................................................(1.25.)

Ako je VGS

36

parazitnih kapaciteta mosfeta (slika 1.36.b). Isti modeli su dati kod jfetova, razlika je samo u jednainama koje prate te modele.

Osnovni tehniki podaci u vezi mosfetova su granice oblasti sigurnog rada (BVGS, BVDS, IDmax, PDmax) i parametri modela (VP odnosno VT, IDSS odnosno K, a za male signale gm). Kod veine diskretnih mosfetova prag otvaranja (VT) je standardizovan, spada u opseg od 2V do 4V, a kod jedne manje grupe (takozvani logic level tipovi) je izmeu 1V i 2V .

Mosfetovi se prave za razne snage. Za manje snage (PDmax

37

preko izvoda sa gornjeg i donjeg sloja (A-anoda, K-katoda) ukljuuje u glavno strujno kolo u kojoj e funkcionisati kao prekida. S unutranjeg P sloja pravi se izvod za upravljaku elektrodu (G-gejt)

Bez upravljake struje tiristor ne provodi glavnu struju ni u kom smeru, ak i da postoji odgovarajui polarizacioni napon izmeu anode i katode. Prelazak u provodno stanje i odravanje tog stanja se moe pratiti preko ekvivalentne eme na slici 1.38. Upravljaka struja koja se propusti od gejta prema katodi pobuuje NPN tranzistor (Q2), usled ega nastaje struja kolektora tog tranzistora. Struja kolektora NPN tranzistora upravlja PNP tranzistorom (Q1) pokree struju kolektora tog tranzistora. Ta kolektorska struja ulazi u isti vor kao upravljaka struja tiristora, pa ga moe zameniti. Na taj nain nastaje samodree provodno stanje. Glavna struja moe da tee od anode prema katodi bez stalnog prisustva upravljake struje, dovoljno je dovesti jedan kratak impuls struje (nekoliko s) na gejt.

Iz ekvivalentne eme moe se izvesti i matematiki model tiristora. Polazei od Ebers-Moll-ovih jednaina za pojedine tranzistore izvodi se formula za struju anode:

21211

1

COCOGAIII

I .................................................................................................(1.26.)

gde je: 1, 2 faktori strujnog pojaanja za pojedine tranzistore,

ICO1, ICO2 struje zasienja pojedinih tranzistora. Pre ukljuivanja (paljenja) faktori strujnog pojaanja su jednaki nuli. Pod dejstvom upravljake struje 1 i 2 raste, kad se postigne kritina vrednost 1+ 2=1, dalje IA moe da opstane i pri IG=0. Na osnovu ekvivalentne eme ne moe se zakljuiti jednoznano da se tiristor ne moe iskljuiti prekidanjem struje gejta odnosno eventualnom promenom smera upravljake struje. Takvim pokuajima meutim moemo modifikovati samo provodnost delova ploice oko gejta, ostali delovi ostaju u provodnom (samodreem) stanju. Do iskljuivanja tiristorske strukture dolazi samo ako, zbog spoljnih razloga, struja u glavnom strujnom kolu padne na malu vrednost (IA

38

U iskljuenom stanju izlazna karakteristika se uglavnom poklapa sa osom VAK (slika 1.39.b). Pri prevelikoj inverznoj polarizaciji javlja se proboj tiristora slino kao kod Zener-ove diode koja e u sluaju velikihh struja unititi tiristor. Bez upravljake struje javlja se proboj tiristora u direktnom smeru kod prenapona sline vrednosti kao kod invezne polarizacije. Bitna razlika u ovom sluaju je da pod uticajem proboja tiristor prelazi u provodni reim. U provodnom (ukljuenom) stanju strujno/naponska karakteristika lei u blizini ose IA, nezavisno od vrednosti glavne struje, pad napona na tiristoru je oko 1V (vrednost glavne struje odreuju spoljni elementi). Najniu taku dijagrama koji se odnosi na ukljueno stanje odreuje struja dranja IH. Pri nioj vrednosti glavne struje tiristor prelazi u iskljueno stanje.

Pri normalnoj upotrebi tiristor se ne dovodi u probojnu oblast ve se pali preko gejta. Pri dovoljnoj struji gejta tiristor se moe upaliti ve pri jako niskim vrednostima napona VAK. Ako se smanji struja gejta, potreban je vei napon u glavom kolu.

Prema dosad reenom radne