Elektroniikka? Elektroniikka on sähkön käsittelemistä sen hienojakoisimmassa muodossa: – varauksina – bitteinä – signaaleina ja viesteinä – sähkömagneettisena.

Esitys aiheesta: "Elektroniikka? Elektroniikka on sähkön käsittelemistä sen hienojakoisimmassa muodossa: – varauksina – bitteinä – signaaleina ja viesteinä – sähkömagneettisena."— Esityksen transkriptio:

1 Elektroniikka? Elektroniikka on sähkön käsittelemistä sen hienojakoisimmassa muodossa: – varauksina – bitteinä – signaaleina ja viesteinä – sähkömagneettisena säteilynä – tehoina Linkki:

2 Elektroniikka? Elektroniikka (Electronics) tutkii sähkön liikkumista tyhjiössä, kaasussa ja puolijohteissa sekä tähän ilmiöön liittyviä sovelluksia > Elektroniikka on oppia elektronien liikkeestä Sähkötekniikka (Electrical) on yleisempi termi sulkien sisäänsä kaikki sähkön mahdollistavat liikkumisväliaineet, eritoten metallit. Nykyään kylläkin myös elektroniikka tutkii sähkön johtumista metalleissa ja niihin liittyvissä sovelluksissa. Rajaus tehdäänkin nykyään usein sovelluskohtaisesti. Elektroniikkaan katsotaan kuuluvan mm seuraavat asiat: Elektroniikan komponentit, tietokoneet, säätölaitteet ja tietoliikennetekniikka. Lähde: ttp://

3 Elektroniikan komponentit
Komponentit ovat elektroniikkapiirien perusrakenneosia. Kaikki elektroniset kytkennät koostuvat vaihtelevasta määrästä toisiinsa liitetyistä komponenteista, jotka muodostavat toimivan virtapiirin. Komponentit voidaan ryhmitellä seuraavasti: sähkömekaaniset komponentit passiiviset komponentit sähkömagneettiset komponentit näyttökomponentit eli optiset komponentit aktiiviset komponentit tehoelektroniikan komponentit Komponenttien ryhmittely tässä tapahtuu niiden signaalin käsittelyominaisuuksien mukaan.

4 Sähkömekaaniset komponentit
Sähkömekaaniset komponentit eivät vaikuta (eivät saisi vaikuttaa!!) kytkennässä esiintyvien signaalien kulkuun kytkintä tms. lukuun ottamatta. Kytkimen lisäksi yleisiä sähkömekaanisia komponentteja ovat mm. sulakkeet ja liittimet Piirilevy, johon komponentit sijoitetaan on myös yksi sähkömekaaninen komponentti.

5 Passiiviset komponentit
Passiivisilla komponenteilla ei voida vahvistaa signaalia, vaan ne päinvastoin aiheuttavat vaimennusta. Kytkennöissä tarvitaan välttämättä myös passiivisia komponentteja. Tavallisimpia passiivisia komponentteja ovat vastukset, kelat ja kondensaattorit.

6 Sähkömagneettiset komponentit
Sähkömagneettisia komponentteja ovat mm. mikrofonit, kaiuttimet, muuntajat ja rele. Muuntajan tehtävä on vaihtojännitteen muuntaminen sopivalle tasolle ja releen voidaan ajatella olevan sähköllä ohjattava kytkin. Muuntajia Releitä

7 Näyttökomponentit eli optiset komponentit
Näyttökomponentti välittää tietoa valona. Tieto voi olla merkkilampun On/Off-tyyppistä informaatiota, taskulaskimen LCD-näytön numeroita tai tietokoneen näyttö. Tyypillisiä elektroniikan näyttökomponentteja ovat ledit ja niistä rakennetut sovellukset (7-seg) sekä LCD-näytöt.

8 Aktiiviset komponentit
Signaaleja voidaan vahvistaa vain aktiivisilla komponenteilla. Vahvistuksen vaatima lisäenergia saadaan teholähteestä. Tärkein aktiivinen komponentti on transistori. Transistori keksittiin joulukuun 23. päivänä vuonna 1947 Bellin laboratoriossa Yhdysvalloissa. Pian keksimisensä jälkeen transistori syrjäytti elektroniikkateollisuudessa siihen saakka käytetyt elektroniputket. Tästä seurasi, että sähkölaitteet pienenivät ja niiden hinta laski.

9 Tehoelektroniikan komponentit
Elektroniikan avulla ohjattavat signaalit ovat tyypillisesti pienitehoisia. Suurien tehojen ohjaamiseen käytetään kuitenkin myös elektroniikkaa. Tärkeimpiä tehoelektroniikan komponentteja ovat GTO- ja IGBT-transistorit sekä diacit, triacit ja tyristorit. (GTO = Gate Turn Off) (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) Tehoelektroniikkaa tarvitaan. Kysymyksessä voi olla valonsäädin tai hitsausmuuntaja tai jopa sähköveturi. Jokainen noista käyttää tehoelektroniikkaa. Tehoelektroniikka ei sinänsä poikkea normaaleista elektroniikan komponenteista, niihin on rakennettu ominaisuuksia kuten nopea virrankatkaisukyky, suuret jännitekestot ja pienet resistanssit eli tehohäviöt ovat pieniä. Tunnetuimpia tehoelektroniikan komponentteja ovat tyristori ja transistorin puolella GTO-transistori.

10 Käsitteitä Erilliskomponentti
Erilliskomponentin (Discrete component) kotelo sisältää vain yhden komponentin, esimerkiksi transistorin, diodin tai kondensaattorin. Mikropiiri, IC-piiri Mikropiirit (Microcircuits) eli IC-piirit (Integrated circuit) ovat yhteisen kotelon sisään suljettuja ja yhtenä kokonaisuutena käsiteltäviä komponentteja. Ne muodostavat toimivan virtapiirikokonaisuuden, joka sisältää jopa miljoonia transistoreja, diodeja vastuksia ynm. komponentteja. IC-piirit jaetaan analogisiin ja digitaalisiin mikropiireihin. Mikropiirien ja muiden puolijohdekomponenttien valmistaminen on äärimmäisen mutkikas tuotantoprosessi, joten tuotantolaitoksiin joudutaan investoimaan paljon. Valtavien valmistusmäärien takia puolijohdekomponenttien hinnat ovat kuitenkin alhaiset. Suomessa valmistetaan joitakin peruskomponentteja, ja Suomen elektroniikkateollisuus onkin keskittynyt vain tiettyä määrätehtävää tekeviin piireihin eli ns. sovelluspiireihin. Näihin ASIC-piireihin voidaan integroida sekä analogisia että digitaalisia toimintoja. Esimerkiksi kännyköiden pieni koko on ASIC-piirien ja pintaliitoskomponenttien ansioita. Prosessori mikroilijoille on tuttu esimerkki digitaalisesta mikropiiristä. Toinen hyvin yleinen digitaalinen mikropiirisarja ovat loogiset portit. Nämä ovat sähköisesti toteutettuja, ohjelmoijille tuttuja loogisia operaattoreita kuten and, or ja not.

11 Mikropiiri IC-piirit tehdään piistä (piioksidi, SiO2)

12 Komponenttien tunnukset
Komponentit merkitään piirikaavioissa seuraavilla IEC-tunnuksilla. (International Electronical Comission)

13 Sähkönjohtavuus Materiaalin sähkönjohtavuuden perusteella aineet voidaan jakaa johteisiin, puolijohteisiin ja eristeisiin. Atomitasolla sähkövirran (elektronivirtauksen) aikaansaaminen aineessa on riippuvainen siinä esiintyvistä vapaista elektroneista, ts. elektroneista, jotka eivät ole sitoutuneet valenssivyöhön. Tällaisten elektronien energia on johtavuusvyöllä. Jos johtavuusvyö liittyy välittömästi valenssivyöhön - kuten metalleilla - on kyseessä johde. Eristeessä valenssivyön ja johtavuusvyön välissä on leveä kielletty energia-alue, välivyö.

14 Sähkönjohtavuus

15 Sähkönjohtavuus Atomin ylintä energiatasoa kutsutaan johtavuusvyöksi, jos se ei ole täysinäinen. Valenssivyö on atomin täysinäinen energiataso johtavuusvyön alapuolella. Materiaalin sähkönjohtavuuskykyyn  vaikuttava atomin  valenssivyön  ja johtavuusvyön  välissä oleva energiarako. Materiaalin johtavuutta voidaan parantaa siirtämällä elektroneja  valenssivyöltä varauksen kuljettajaksi johtavuusvyölle. Metalleilla ei tällaista rakoa ole, sillä niiden johtavuusvyöllä on aina jonkin verran varauksenkuljettajaelektroneja, joten metallit  johtavat aina sähköä. Puolijohteilla tämä rako on pieni ja lämpötilan kasvattaminen parantaa materiaalin johtamiskykyä siirtämällä suurempi määrä elektroneja johtavuusvyölle varauksenkuljettajiksi. Eristeillä  tämä energiarako on niin suuri, että lämmön nostaminenkaan ei riitä siirtämään elektroneja johtavuusvyölle.

16 Sähkönjohtavuus Piiatomi

17 Puolijohteet Puolijohteilla kielletty vyö on suhteellisen kapea eli ulkopuolista energiaa ei tarvita paljoa puolijohteen saamiseksi johtavaksi. Johtavuuselektronien syntymiseksi tarvittava lisäenergia saadaan esimerkiksi lämpötilaa kohottamalla. Normaaliolosuhteissa (~300 K) aineeseen on tullut lisäenergiaa ja johtavuuselektroneja esiintyy.   Tärkeimmät puolijohteet ovat pii (Si), galliumarsenidi (GaAs) ja germanium (Ge). Näistä pii on elektroniikan eniten käytetty materiaali. Puolijohdepiin raaka-aineena on kvartsihiekka, joka selittää piin suosiota puolijohdemateriaalina Puolijohteet muodostavat kiteitä, joissa atomien välillä on kovalenttinen sidos. Esimerkiksi piillä on 14 elektronia, joista 4 on valenssielektroneja. Näiden neljän elektronin avulla piiatomit kiinnittyvät neljään viereiseen piiatomiin kovalentilla sidoksella. Hyvin matalassa lämpötilassa kaikki elektronit ovat sitoutuneet rakenteeseen, mutta lämpötilan kohottaminen riittää rikkomaan osan sidoksista ja vapaita elektroneja pääsee muodostumaan ja siirtymään johtavuusvyölle.

18 Puolijohteet (a) Matalassa lämpötilassa kaikki elektronit pysyvät kovalenttisissa sidoksissa. (b) Korkeammassa lämpötilassa jotkut elektronit ovat irronneet valenssivöiltä ja siirtyneet johtavuusvyölle.

19 Puolijohteet Normaalilämpötiloissa jotkut elektronit saavat välivyön ylitykseen tarvittavan energialisäyksen ja siirtyvät johtavuusvyölle. Tällöin syntyy kahta tyyppiä liikkuvia varauksia: johtavuuselektroneja ja johtavuusaukkoja. Johtavuusaukolla tarkoitetaan johtavuuselektronin jättämää tyhjää paikkaa kovalenttisessa sidoksessa. Tällainen aukko voi siepata naapuriatomiltaan elektronin, jolloin aukko siirtyy naapuriatomiin. Puolijohteessa tapahtuu aukkojen ja elektronien rekombinaatiota (uudelleen yhtyminen)

20 Puolijohteet, käsitteitä
Itseispuolijohde Puhdasta puolijohdetta (jossa ei siis ole muita atomeita) kutsutaan itseispuolijohteeksi tai intrinsiikkiseksi puolijohteeksi. Näillä ei ole suurtakaan merkitystä käytäntöä ajatellen. Vasta sopivien seosaineiden käyttö puhtaan puolijohdemateriaalin joukossa tekee puolijohdekomponentit mahdollisiksi. Seostetut eli ekstrinsiittiset puolijohteet Puolijohdekiteissä varausten kuljettajien, joko elektronien tai aukkojen, määrää voidaan huomattavasti lisätä sekoittamalla niihin pieniä määriä sopivia epäpuhtauksia eli seosaineita. Sekoitussuhde on tyypillisesti 1: , joten kemiallisesti aine on edelleen esim. piitä, vain sähköiset ominaisuudet muuttuvat.

21 n-tyypin puolijohde, Ryhmä V
Yhden ryhmän seosaineista muodostavat ne aineet, joiden atomirakenteessa on 5 valenssielektronia (esim. fosfori, arseeni ja antimoni) Asettuessaan kidehilaan niissä on yksi ylimääräinen elektroni. Tällä ylimääräisellä elektronilla on jo huoneenlämmössä niin suuri energia, että se asettuu johtavuusvyölle. Koska epäpuhtauksista saatavat vapaat varaukset, jotka voivat osallistua sähkövirran syntymiseen, ovat elektroneja, kutsutaan tällaista puolijohdetta n-tyyppiseksi. Elektronit ovat siis enemmistökantajia ja aukot vähemmistökantajia. Aukkoja n-aineessa syntyy piin atomeista lämpötilan aineeseen tuoman lisäenergian ansiosta, mutta ne rekombinoituvat vastaavasti syntyneiden elektronien kanssa.

22 n-tyypin puolijohde, Ryhmä V
n-tyypin puolijohde. Seosaineena fosfori (P). Kovalenttinen kiderakenne

23 p-tyypin puolijohde, Ryhmä III
Toisen ryhmän seosaineita muodostavat ne, joiden atomirakenteessa on 3 valenssielektronia (esim. boori, alumiini, gallium ja indium) Kun nämä asettuvat kidehilaan, jää niiden kohdalle yhden elektronin vajaus, jotta sidos olisi kovalentti. Vierasaineatomi sieppaa helposti ympäristöstä elektronin, jolloin syntyy herkästi liikkuva johtavuusaukko. Koska vapaat varaukset ovat nyt pääosin aukkoja (positiivisia varauksia) kutsutaan tällaista puolijohdetta p-tyyppiseksi. Nyt ovat aukot enemmistökantajia ja elektronit vähemmistökantajia. Elektroneja p-aineessa syntyy piin atomeista lämpötilan aineeseen tuoman lisäenergian ansiosta, mutta ne rekombinoituvat vastaavasti syntyneiden aukkojen kanssa.

24 n-tyypin puolijohde, Ryhmä V
p-tyypin puolijohde. Seosaineena boori (B). Kovalenttinen kiderakenne

25 Puolijohteet, käsitteitä
Donoriatomi Atomi joka luovuttaa vastaanottajalle elektronin. Puolijohdemateriaalien seostukseen käytetty epäpuhtausatomi, jonka uloimmalla elektronikerroksella on yksi elektroni enemmän kuin itse puolijohdemateriaalin atomilla aikaansaaden puolijohdeatomiin varauksen kuljettamiseen pystyvän vapaan elektronin. Akseptoriatomi Atomi joka vastaanottaa luovuttajalta elektronin. Puolijohdemateriaalien seostukseen käytetty epäpuhtausatomi, jonka uloimmalla elektronikerroksella on yksi elektroni vähemmän kuin itse puolijohdemateriaalin atomilla aikaansaaden puolijohdeatomiin varauksen kuljettamiseen pystyvän elektronivajauksen eli aukon.

26 pn-liitos Puolijohdekomponenttien tärkein rakenneosa on pn-liitos. Tämä saadaan aikaan liittämällä yhteen p-tyyppinen ja n-tyyppinen puolijohde. Liitoksessa tapahtuu seuraavaa: Erilliset p ja n tyypin piit, kummassakin liikkuvia varauksenkuljettajia (p:ssä aukkoja, n:ssä elektroneja). Yhteen liitettynä liitoskohdan välittömässä läheisyydessä olevat varauksenkuljettajat liikkuvat rajapinnan yli kumoten toisensa (rekombinoituvat). Siirtyminen tapahtuu koska erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Syntyy tyhjennysalue, jossa ei ole enemmistövarauksenkuljettajia, ainoastaan lämpötilan aikaansaamia aukkoja ja elektroneja, jotka rekombinoituvat saman tien. (Jännitteettömänä alueen leveys on noin 5 µm)

27 pn-liitos Olennainen ominaisuus pn-liitoksella on sen tasasuuntaava vaikutus: Virta pääsee kulkemaan pn-liitoksen yli vain toiseen suuntaan. pn-liitos on estosuuntainen kun negatiivinen jännite on kytketty p-alueelle ja positiivinen n-alueelle. Sähkölähteen + navassa on elektronialijäämä jonka voidaan ajatella ”vetävän” n-aineen elektroneja puoleensa. Samoin käy myös –navan kanssa. >>> Tyhjennysalue levenee. pn-liitos on myötäsuuntainen kun positiivinen jännite on kytketty p-alueelle, negatiivinen jännite n-alueelle ja lisäksi jännitteen on oltava suurempi kuin pn-liitoksen kynnysjännite: piillä n. 0,7 V, germaniumilla n. 0,3 V Tyhjennysalue on kapea.

28 Diodi Yleisin pn-rajapinnan sovellus on diodi.
Diodi tasasuuntaa eli laskee virtaa lävitseen vain toiseen suuntaa. Diodin yleisin käyttökohde onkin vaihtosähkön tasasuuntaaminen. Diodi koostuu p- ja n-materiaaleista, joilla on yhteinen rajapinta. p-materiaaliin kiinnitettyä elektrodia kutsutaan anodiksi ja n-materiaaliin kiinnittyä elektrodia katodiksi.

29 Diodi

30 Yleistä diodeista... Diodin ominaisuuksiin kuuluu kynnysjännite UF, jonka suuruus vaihtelee jonkin verran riippuen diodin puolijohdemateriaalista. Piillä (Si) se on noin V ja germaniumilla (Ge) noin V. Ilman ulkoista jännitettä kynnysjännite estää kaikkien varauksenkuljettajien liikkumisen rajapinnan yli. Myötävirta IF diodin läpi alkaa kulkea vasta sitten, kun myötäesijännitteen suuruus ylittää diodin kynnysjännitteen. Estosuuntaan kytketty diodi ei läpäise virtaa lukuun ottamatta hyvin pientä termisen generaation aiheuttamaa estovirtaa IR lukuun ottamatta. Tämän estovirran suuruus on piidiodilla muutama mikroampeeri ja germaniumdiodillakin alle yhden milliampeerin. Estosuuntaan kytketty diodi muodostaa kondensaattorin, jonka kapasitanssi on riippuvainen estosuuntaan kytketyn jännitteen suuruudesta. Tätä ominaisuutta käytetään hyväksi kapasitanssidiodeissa. Estosuuntaan kytketyn diodin estovirta on hyvin pieni. Jos estojännitettä UR suurennetaan liikaa, tapahtuu diodissa läpilyönti ja se tuhoutuu (ja luultavasti jää oikosulkuun). Myötäsuuntaan kytketyn diodin myötävirta kasvaa kynnysjännitteen jälkeen nopeasti. Jos myötäjännitettä UF suurennetaan liikaa, myötävirta kuumentaa diodia ja se tuhoutuu. P=U*I

31 Diodi tyyppejä 1. Zenerdiodi:
Toiminta on estosuuntainen, toiminta diodin läpilyöntialueella. Zenerdiodit on aina kytkettävä estosuuntaan, kun halutaan käyttää niiden vakavointiominaisuutta hyväksi. Käytetään vakiojännitteen muodostamiseen. 2. Kapasitanssidiodi Toiminta on estosuuntainen. Jännitteellä ohjattu kondensaattori, käytetään suurtaajuuslaitteissa, esimerkiksi Ula-vastaanottimissa ja televisioissa. Kun suurennetaan diodin estosuuntaista jännitettä niin diodin kapasitanssi pienenee. 3. Fotodiodi: Toiminta estosuuntainen, käytetään valon ilmaisimena, infrapuna tai näkyvävalo.Diodin estoresistanssi on verrannollinen rajapintaan osuvan fotonivuon voimakkuuteen. 4. Led Toiminta myötäsuuntaan kytkettynä. Säteilee valoa, näkyvävalo tai infrapuna. Valmistetaan tavallisesti galliumarsenidista (GaAs), galiumfosfidista (GaP) tai näiden yhdistelmistä (GaAsP). 5. Schottkydiodi: Toiminta myötäsuuntainen. Erittäin nopea toiminta, ideaalisin diodi. Käytetään pienien häviöiden takia virtalähteissä tasasuuntaajissa ja hakkurivirtalähteissä.

32 Ideaalidiodi Päästää myötäsuunnassa virran esteettä lävitseen, ja estää virran kulun täysin vastakkaisessa eli estosuunnassa. Myötäsuunnassa ihanteellinen diodi vastaa oikosulkua, ja estosuunnassa katkosta. Todelliset puolijohdediodit eivät vastaa täydellistä ihanteellista diodia vaan niissä on häviöitä (kynnysjännite). Ihanteellisen diodin ominaiskäyrä seuraa myötäsuunnassa virta-akselia, ja estosuunnassa jänniteakselia.

33 Todellisen diodin ominaiskäyrä

34 Diodin tärkeimmät sähköiset ominaisuudet
UR jatkuva estojännite IR estovirta IF jatkuva myötävirta Ptot kokonaistehohäviö Teho Ptot lämmittää diodia!

35 Eurooppalainen merkintätapa:
Esimerkiksi BA100 tai BYX30 Ensimmäinen kirjain kertoo komponentin valmistusmateriaalin ja toinen kirjain käyttötarkoituksen. Jos merkinnässä on kolmaskin kirjain, se osoittaa, että komponentti on tavallista parempilaatuinen eli tarkoitettu vaativiin käyttöolosuhteisiin. Loppuosa kertoo osan tyyppimerkinnän. Jos kirjaimia on kaksi, luku on kolminumeroinen ja jos kirjaimia on kolme, numeroita on vain kaksi. Numerosarjaa saattaa seurata vielä kirjain, joka yksilöi saman komponentin eri versiot.Lopussa saattaa vielä olla väliviiva ja numeroita, joilla ilmoitetaan esimerkiksi suurin sallittu estosuuntainen jännite. esimerkiksi BYX

36 Amerikkalainen merkintätapa:
Esimerkiksi 1N4007 Ensimmäinen numero (1) kertoo komponentin jalkojen lukumäärän -1 eli jos komponentissa on kaksi jalkaa, numero on 1 tai kolmijalkaisessa vastaavasti 2. Seuraava merkki (N) kertoo kyseessä olevan juuri amerikkalaisen merkintätavan ja loppuosa kertoo osan tyyppimerkinnän jonka perusteella ei voi päätellä juurikaan mitään ilman datakirjaa. Diodien tyyppimerkintä voidaan merkitä myös värikoodin avulla. Värit ovat samat kuin vastuksissa. Ensimmäisenä on muita leveämpi raita, joka samalla ilmoittaa katodin puoleisen pään. Esimerkiksi diodissa 1N4148 ovat värirenkaat keltainen-ruskea-keltainen-harmaa.

37 Diodin käyttösovelluksia
Laitteen suojaaminen väärältä syöttöjännitteen napaisuudelta.

38 Diodin käyttösovelluksia
Paristovarmennuksen järjestäminen passiivikomponenteilla verkkokäyttöiselle laitteelle.

39 Päättele (tai laske) mikä on jännite vastuksen yli
Päättele (tai laske) mikä on jännite vastuksen yli. Diodit ovat piidiodeja.

40 Päättele (tai laske) mikä on jännite vastuksen yli
Päättele (tai laske) mikä on jännite vastuksen yli. Diodit ovat piidiodeja.

41 Piirrä lähtöjännitteen käyrämuoto samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.
b) c)

42 Puoliaaltotasasuuntaus
Kuvan kytkentä laskee lävitseen vain syöttöjännitteen positiivisen puolen. Lähtöjännitteen UL huippuarvo: UL = US - UTH US = piirin syöttöjännite UTH = diodin kynnysjännite (pii 0.6 V ja germanium 0.3 V)

43 Kokoaaltotasasuuntaus
UL = US - 2UTH

44 Ledi Ledin kirkkaus riippuu sen läpi kulkevasta virrasta. Tyypillinen virta on 20-25mA Etuvastuksen mitoitus:

45 Ledi Katodi Anodi + -

46 Ledi Mitoita etuvastus, kun kaikki ledit ovat punaisia.

47 Ledi Yhden ledin läpi kulkema virta on noin 0.02A:a. Kokonaisvirran voimme laskea Kirchhoffin 1.:n lain avulla: Kirchhoffin toisen lain avulla taas laskemme vastuksen yli vaikuttavan jännitteen: Jatkamme tehon kaavalla: Pienimmät vastukset ovat tehonkestoltaan vain 0.25W:a. Tässä kytkennässä olisi siis valittava vastus, jonka tehonkesto on vähintään 1W.

48 Ledi Mitoita etuvastus, kun ledit on kytketty sarjaan ja ovat eri värisiä. Lähin pienempi vastusarvo on 220W:a. Käytännössä vastusta mitoitettaessa käytetään kynnysjännitettä suurempia arvoja. Esim. Valkoinen ledi loistaa kunnolla vasta kun sen yli vaikuttava jännite on 4V:a. Sarjavastuksen arvoksi kannattaisi todennäköisesti valita 180W:n vastus.

49 Ledi Mitoita etuvastus, kun ledit on kytketty rinnan ja ovat eri värisiä.

50 Ledi Koska ledeillä on eri kynnysjännite, ei niistä pala kuin pienimmän kynnysjännitteen omaava ledi. Ledejä ei voi kytkeä rinnan tällä tavalla! Miten kytkentä tulee tehdä?

51 Ledi Jokaiselle ledille lasketaan oma etuvastus.

52 Ledin sovellus, 7-segmenttinäyttö
7-seg. on ledeistä muodostettu näyttö. Ledien toiset navat on yhdistetty, jolloin puhutaan joko yhteisanodi- tai yhteiskatodinäytöstä.

53 Zener-diodi Toimii estoalueella ts. alkaa johtamaan myös estosuunnassa, kun syöttöjännite ylittää ns. ”zener-jännitteen” Tyypillinen kytkentä on ns. jännitevakavointi. Zener rajoittaa kuorman yli olevan jännitteen samaksi kuin zenerjännite. Zeneriä voi käyttää myös normaalina diodina, kunhan muistaa, että se johtaa myös estosuuntaan tietyn jännitetason jälkeen.

54 Zener-diodi Jännitevakavoinnissa zener-diodi tarvitsee aina etuvastuksen, jolla rajoitetaan piirin virtaa. Jos yllä olevassa kytkennässä US > UZ > oikosulku!!!

55 Zener-diodi jännitteen vakavoinnissa
Selvitä käytettävän zenerin: -max. tehonkesto -zenerjännite Tyyppi: BZX284-C5V6 Mitoitusparametrit ovat: UZ = 5,6 V PMAX = 400 mW If on diodin max. virta myötäsuuntaisessa toiminnassa, eikä sitä tarvita jännitevakavoinnin mitoituksessa.

56 Zener-diodi jännitteen vakavoinnissa
Mitoita zenerin etuvastus, kun kuormalle (RL) halutaan 5,6 V. US on 12 V. Valitaan zeneriksi BZX284-C5V6 UZ = 5,6 V PMAX = 400 mW PMAX 400 mW Tehonkesto määrää maksimi virran: IzMAX = = = 71 mA UZ 5,6 V Etuvastuksen yli jää jännite: Zenerin maksimivirta määritellään ilman kuormaa (pahin tilanne) UR = US – UZ = 12 – 5,6 = 6,4 V UR 6,4 V R1min = = = 90 Ω (100 Ω) Vastuksen koko: IZMAX 71 mA Vastuksen tehonkeston oltava: PR = UR * IZMAX =UR2/ R1 = 409 mW (0,5 W)

57 UZ RL = RL = • R1 ( URL > UZ ) US - UZ

58 Zenerin merkinnät Amerikkalainen merkintätapa ei eroa tavallisesta diodista mitenkään, esim 1N75. Eurooppalainen merkintätapa alkaa aina kirjaimilla BZ. Esimerkiksi tunnus BZY-C6V8 tulkitaan seuraavasti: • puolijohdemateriaali on pii (B) • zenerdiodi (Z) • vaativiin käyttöolosuhteisiin (Y) • numerosarja (88), ei erityismerkitystä • zenerjännitteen toleranssi ± 5 % (C) • nimelliszenerjännite on 6,8 V (6V8) Zenerjännitteen toleranssit • A = ± 1 % • B = ± 2 % • C = ± 5 % • D = ± 10 % Lähde: Volotinen Vesa, Analoginen Elektroniikka, komponentit ja peruskytkennät. WSOY s. 186 • E = ± 20 %

59 Piirrä kuormaan vaikuttavan jännitteen käyrämuoto samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.

60 Piirrä kuormaan vaikuttavan jännitteen käyrämuoto samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.

61 Piirrä kuormaan vaikuttavan jännitteen käyrämuoto samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.

62 Piirrä kuormaan vaikuttavan jännitteen käyrämuoto samaan kuvaan tulojännitteen kuvaajan kanssa.

63 KONDENSAATTORI -Kondensaattori on komponentti joka pystyy varastoimaan pieniä määriä sähköenergiaa Kondensaattori yleensä Elektrolyytti- kondensaattori -Kondensaattori muodostuu kahdesta metallilevystä jotka on eristetty toisistaan. Eristeenä voi olla ilmaa, muovikalvoa, eristepaperia tai keraamista materiaalia Tantaali- kondensaattori -Kondensaattoreita käytetään yleisimmin käyttöjännitteen suodatukseen, häiriöiden poistoon ja erilaisiin aikavakiopiireihin. *Vastusten lisäksi myös kondensaattorit ovat erittäin yleisiä komponentteja lähes kaikissa elektronisissa laitteissa. *Kondensaattori ei läpäise tasasähköä, mutta vaihtosähköä se läpäisee. Kondensaattori muodostuu kahdesta metallilevystä jotka on eristetty toisistaan. *Käytännössä kondensaattorit on rakennettu siten että nämä kaksi metallifoliota ja niiden väliset eristeet on kierretty rullaksi, tai sitten näitä toisistaan eritettyjä folion paloja on suurempi nippu päällekkäin, siten että joka toinen levy on aina kytketty yhteen. *Kuten vastukset, myös kondensaattorit jakautuvat kiinteäarvoisiin ja säädettäviin. Säädettävät kondensaattorit tosin ovat varsin harvinaisia. Enimmäkseen niitä käytetään radiovastaanottimissa ja muissa vastaavissa laitteissa, korkeataajuuksisissa kytkennöissä, sekä kideoskillaattoreissa oskillaattorin värähtelytaajuuden hienosäätöön *Merkittävä käyttökohde on myös tarnsistorivahvistimissa, missä pitää erottaa tasavirta vaihtovirtasignaalista Lähde: Säädettävä- kondensaattori

64 KONDENSAATTORI -Kiinteäarvoiset kondensaattorit jakaantuvat eri ryhmiin valmistustavan ja eristemateriaalin mukaan. kerko polko -Yleisimmät tyypit: -Keraaminen kondensaattori ”kerko” -Polyesterikondensaattori ”polko” -Tantaalikondensaattori ”tanko’” -Elektrolyyttikondensaattori ”elko” Keraamisten kondensaattoreiden eristemateriaalina on metallioksidikeraaminen materiaali. Yllä olevassa kuvassa neljä vasemman puoleista kondensaattoria ovat keraamisia kondensaattoreita. Nämä tunnistaa parhaiten keraamisesta kotelorakenteesta, joka on tehty 'kastamalla'. Keraamisissa konkissa arvojen merkintä tehdään useimmiten numeromerkinnöin. Usein näissä käytetään kolme numeroista merkintätapaa, jossa kaksi ensimmäistä numeroa tarkoittavat arvoa, ja kolmas kerrointa. Tulos on tällöin pikofaradeita. Esim. merkintä '222' tarkoittaa tällöin 2200 pF:n eli 2,2 nF:n kondensaattoria. Muunkinlaisia merkintä tapoja keraamisissa kondensaattoreissa on käytössä. Kaksi numeroinen merkintä on yleensä tulkittavissa suoraan pikofaradeina, esim. '27' tarkoittaisi tällöin 27 pF:n konkkaa. Joskus keraamisten kondensaattoreiden arvot on voitu merkitä myös värikoodein. Näiden koodien tulkinta tapahtuu saman värikoodi taulukon avulla kuin vastuksissakin. Kuvan kolme oikeanpuoleista kondensaattoria ovat polyesterikondensaattoreita. Näissä kondensaattorin arvo on yleisimmin merkitty koteloon numeroin, joskin merkintätavoissa on varsin paljon hajontaa. Esimerkiksi merkinnät '0,74', '0µ47' ja 'µ47' tarkoittavat 0,47µF:n kondensaattoria. Merkintä '2200' on taas tulkittavissa pikofaradeina, jolloin konkan arvo siis olisi 2,2nF. Varsin usein polyesterikondensaattoreihin merkitään myös maksimi jännitteen kesto. Eristemateriaalina on ohut muovikalvo. Sekä kerkoille, että polkoille on yhteistä se että ne voidaan kytkeä kummin päin tahansa, ja niitä voidaan käyttää tasajännitteen lisäksi myös vaihtojännitteellä. Tantaalikondensaattorin tunnistaa parhaioten pisaramaisesta muodosta, kotelon väritys sen sijaan voi vaihdella. Myös muunlaisia kotelointiratkaisuja on olemassa. Kondensaattorin kapasitanssi ja jännitteenkesto on yleensä aina merkitty koteloon varsin selkein numeromerkinnöin. Tantaalikondensaattorin etu muihin kondensaattoreihin nähden on kapasitanssiin suhteutettuna varsin pieni koko. Kuvan kolme muuta kondensaattoria ovat elektrolyyttikondensaattoreita. Parhaiten nämä tunnistaa tynnyrimäisestä muodosta, joskin koteloiden koot ja väritykset vaihtelevat. Elektrolyyttikondensaattorissa eristeen muodostaa elektrolyyttineste, joka aiheuttaa levyjen pinnalle oksidikerroksen. elko tanko

65 KONDENSAATTORIN RAKENNE
Kondensaattorin periaate Levyjen välillä on jännite U jossa U = jännite [V] Q = levyjen varaus [As] s = levyjen välimatka [m] A = levyjen pinta-ala [m^2] ε = eristeaineen permitiivisyys [As/Vm=F/m]

66 Kondensaattorin kapasitanssi
Jokaisella kondensaattorilla on kapasitanssi. Se kuvaa kondensaattorin varauskykyä. jossa C = kapasitanssi [As/V=F] U = jännite [V] Q = levyjen varaus [As] Kapasitanssin yksikkö on faradi, F Yhdistämällä edelliset kaavat, saadaan kapasitanssille myös kaava: Käytännössä kapasitanssin yksikkö Faradi on valtavan suuri yksikkö. Yleisesti rakennetaankin kondensaattoreita joiden kapasitanssi on milli, mikro tai nanofaradeja.

67 ε = aineen permittiivisyys εr = aineen suhteellinen permittiivisyys
-Mitä paremmin levyjen välissä oleva eristysaine antaa levyjen sähkövarausten vaikuttaa toisiinsa, sitä suurempi on kondensaattorin kapasitanssi -Aineen permittiivisyysarvo voidaan laskea kaavasta: ε = εr * ε0 Jossa: ε = aineen permittiivisyys εr = aineen suhteellinen permittiivisyys ε0 = tyhjiön permittivisyys 8,85 * F/m Joitakin εr arvoja Laskuharjoitus: kondensaattorin kapasitanssi on 221 nF ja sen levyjen pinta-ala on 0,1 m^2 sekä eristeen paksuus 0,02 mm. Mikä on eristeaine?

68 Kondensaattoreiden merkitseminen
*Ei yhtä selkeä kuin vastuksilla *Paljon valmistajakohtaisia merkintöjä Yleisimmät tiedot: -kapasitanssi -jännitekestoisuus -Lämpötila-alue Lisäksi voi olla: -eristemateriaali -eristysresistanssi -häviökerroin

69 Kondensaattoreiden merkitseminen
*Värikoodeilla merkityn kondensaattorin kapasitanssi ilmoitetaan aina pikoFaradeina (pF). Keraamisissa kondensaattoreissa saattaa olla yksi lämpötilakertoimen ilmoittava värirengas. *Jos kondensaattorin johtimet tulevat ulos kotelon samasta reunasta, värirenkaiden lukeminen aloitetaan vastakkaiselta puolelta. Jos johtimet ovat eri päissä, lukeminen aloitetaan siitä renkaasta, joka on lähempänä reunaa.

70 Kondensaattoreiden värikoodit

71

72 Todellisen kondensaattorin rakenne
2 1 1. Polyesterikondensaattori ”polko” 2. Tantaalikondensaattori ”tanko’” 3. Elektrolyyttikondensaattori ”elko” 3

73 Kondensaattorin kytkeminen virtapiiriin
VAIN Tasajännitteeseen kytkettäviä konkkia: Tantaalikondensaattori ”tanko’” Elektrolyyttikondensaattori ”elko” Vaihto- JA tasajännitteeseen kytkettäviä konkkia: Keraaminen kondensaattori ”kerko” Sekä kerkoille, että polkoille on yhteistä se että ne voidaan kytkeä kummin päin tahansa, ja niitä voidaan käyttää tasajännitteen lisäksi myös vaihtojännitteellä. Polyesterikondensaattori ”polko”

74 Kondensaattorin vaihdettavuus
Elektrolyyttikondensaattorit ovat kapasitanssiltaan keraamisia kondensaattoreita suurempia. Elektrolyyttikondensaattoreita käytetään suodattamaan tasajännitteestä matalataajuisia häiriöitä ja jännitevaihteluita. Elektrolyyttikondensaattori täytyy kytkeä jännitteeseen oikeinpäin. Väärin kytketty elektrolyyttikondensaattori voi jopa räjähtää. Kondensaattoreilla on aina myös maksimikäyttöjännite jota ei saa ylittää. Kondensaattoreiden ”hyvyys”: Tyhjiökondensaattori Ilmaeristeinen Listassa alemman voi korvata ylemmällä jännitekestoisuus huomioon ottaen (ja napaisuus tankolla ja elkolla) Vaihtaessa konkkaa toiseen, tulee ylläolevan listan lisäksi huomioida jännitekestoisuus. Sen pitää olla vähintään alkuperäisen luokkaa. Kapasitanssi kasvaa kokoon nähden Keraaminen Muovi Tantaali Elektrolyytti

75 Säädettävä kondensaattori
*Tyypillinen käyttö RF-piirien virittämiseen *vanhoissa radiossa kanavat säädettiin säätökonkkien avulla Kuvassa näkyy kondensaattorin idea: mitä suurempi on levyjen päällekkäin oleva osa, sitä suurempi on niiden kapasitanssi. Eristeenä voi olla ilma, kiille tai muovi. Harvinaisia nykyään, asennetaan suoraan piirilevylle kuten trimmerivastus. Esisäädöt tekee joku muu kuin peruskäyttäjä. *Säädettäessä on huomioitava, että säätäjä itse vaikuttaa säätökondensaattori kapasitanssiin. Säätö tulisikin suorittaa muovisella ruuvimeisselillä.

76 Kytkennällä on aikavakio τ
RC-piiri Kun syöttöjännite U kytketään kondensaattorin napoihin, ei jännite Uc nouse heti samaan arvoon kuin syöttöjännite U. Mitä suurempi ladattava kapasitanssi C ja sarjavastuksen resistanssi RC, sen hitaammin Uc kohoaa. Kytkennällä on aikavakio τ τ = RC * C [s] ”Yhden aikavakion kuluessa kondensaattorin jännite on noussut arvoon, joka on 63 % syöttöjännitteestä U”

77 [ ] [ ] [ ] t τ RC-piiri A τ = RC * C = 10000 Ω * 500*10-6 F = 0,5 s
Vastus RC jonka resistanssi on 10 kΩ ja kondensaattori, jonka kapasitanssi on 500 μF muodostavat sarjakytkennässä RC-piirin, jonka aikavakio on: [ ] V Ω = A τ = RC * C = Ω * 500*10-6 F = 0,5 s [ ] As [ ] F = V As V • A V Kondensaattoriin latautuva jännite noudattaa kaavaa: Jossa: t UC = kondensaattoriin latautunut jännite [V] - τ Uc = U * (1-e) U = RC-piiriä syöttävä jännite [V] e = Neperin luku ≈ 2,718282 τ = aikavakio RC [s] t = lataukseen kulunut aika [s]

78 Kondensaattorin latautumiskäyrä RC-piirissä

79 Kondensaattorin lataaminen
Kondensaattorin purkaminen τ = RL * C