Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικοηλεκτρονική ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ενότητα 1: Εισαγωγή Δρ. Δημήτριος Γουστουρίδης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε Κάντε κλικ για να ξεκινήσετε
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Βιβλιογραφία Χαριτάντης Γ. Ηλεκτρονικά Ι. Εισαγωγή στα Ηλεκτρονικά. Εκδόσεις, Aράκυνθος 2006. Βασική Ηλεκτρονική A.P. Malvino, Εκδόσεις Τζιόλα Forrest Mims, Getting Started in Electronics, 1983 4
Περιεχόμενα 1.1 Εισαγωγή 5
Προσδοκώμενα Αποτελέσματα Στην ενότητα αυτή θα μάθετε για: Ηλεκτρονικά Στοιχεία, Σχεδιασμός και Ανάλυση κυκλώματος, Ισοδύναμα Μοντέλα και Περιορισμοί 6
1.1 Εισαγωγή 7
Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο-ηλεκτρονική Εισαγωγή 8
Πρόγραμμα Α ΕΞΑΜΗΝΟ ΣΠΟΥΔΩΝ α/α Τίτλος Μαθήματος Ωρες Διδασκαλίας ΣΥΝΟΛΟ Θεωρία Ασκ. Πράξης Εργαστ. 1 Μαθηματικά Ι 4 3 1 0 2 Φυσική 6 3 1 2 3 Η//N Φυσική & Οπτικοηλεκτρονική 8 2 2 4 4 Ηλεκτρικά Κυκλώματα Ι 4 2 2 0 5 Δομημένος Προγραμματισμός 4 2 0 2 Β ΕΞΑΜΗΝΟ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΥΝΟΛΑ 26 12 6 8 α/α Τίτλος Μαθήματος Ωρες Διδασκαλίας ΣΥΝΟΛΟ Θεωρία Ασκ. Πράξης Εργαστ. 1 Μαθηματικά ΙΙ 4 3 1 0 2 Ηλεκτρικά Κυκλώματα ΙΙ 4 2 0 2 3 Ηλεκτρονικά Ι 6 2 2 2 4 Αντικειμενοστραφής Προγραμματισμός 4 2 0 2 5 Τεχνολογία Εξαρτημάτων-Σχεδίαση PCB 4 2 0 2 6 Μετρήσεις 4 2 0 2 ΣΥΝΟΛΑ 26 13 3 10 9
Βιβλία ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ 1 Κωδικός Βιβλίου στον Εύδοξο: 2139 Έκδοση: 1/2006 Συγγραφείς: ΧΑΡΙΤΑΝΤΗΣ ΓΙΑΝΝΗΣ ISBN: 978-960-91034-6-6 Τύπος: Σύγγραμμα Διαθέτης (Εκδότης): ΔΕΜΕΡΝΤΖΗΣ ΠΑΝΤΕΛΗΣ Μικροηλεκτρονικά Κυκλώματα Κωδικός Βιβλίου στον Εύδοξο: 9758 Αριθμός τόμου: Α Έκδοση: 5η έκδ./2010 Συγγραφείς: Sedra Adel, Smith Kenneth, Ιωάννης Παπανάνος ISBN: 978-960-7182-60-9 Τύπος: Σύγγραμμα Διαθέτης (Εκδότης): Α. ΠΑΠΑΣΩΤΗΡΙΟΥ & ΣΙΑ ΟΕ 10
Ορισμός Ηλεκτρονική Φυσική είναι ο κλάδος της φυσικής που ασχολείται με την διάδοση του ηλεκτρισμού στα στερεά (solid state physics), την φυσική των ημιαγωγών (semiconductor physics) και τα διάφορα ηλεκτρονικά στοιχεία που μπορούν να υλοποιηθούν με τους ημιαγωγούς (device physics). 11
Θέματα που θα καλυφθούν Κεφάλαιο Εισαγωγή: Τι είναι η Ηλεκτρονική Φυσική? Αγωγοί Μονωτές Ημιαγωγοί. Γιατί οι ημιαγωγοί είναι τόσο ιδιαίτεροι Επαφή PN Το πρώτο ηλεκτρονικό στοιχείο η δίοδος επαφής. Τρανζίστορ BJT Το βασικό ηλεκτρονικό εξάρτημα. Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET MOSFET). Άλλα ηλεκτρονικά εξαρτήματα Επανάληψη Ώρες 2x 2ωρες διαλέξεις 4x 2ωρες διαλέξεις 5-6x 2ωρες διαλέξεις 5-6x 2ωρες διαλέξεις 4x 2ωρες διαλέξεις 1-2x 2ωρες διαλέξεις 1-2x 2ωρες διαλέξεις 12
Ηλεκτρονικά Στοιχεία Που Χρησιμοποιούμε Παθητικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής, Πηνίο Ενεργητικά Στοιχεία: Δίοδοι, Φωτοδίοδοι, Τρανζιστορ, Θυρίστορ, Τράϊακ κλπ. 13
Ηλεκτρονικά στοιχεία που χρησιμοποιούμε Παθητικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής, Πηνίο. Τα παθητικά στοιχεία έχουν γενικά γραμμική* και προκαθορισμένη συμπεριφορά και ο ρόλος τους σε ένα κύκλωμα είναι παθητικός. Πχ. να περιορίσουν ένα ρεύμα ή να υποβιβάσουν μια τάση (αντίσταση) ή να κόψουν μια χαμηλή ή υψηλή συχνότητα (πυκνωτής και αντίσταση). * Εξαιρούμε τα κυκλώματα ταλαντώσεως (LC, RLC) τα οποία δεν θα μας απασχολήσουν. 14
Ηλεκτρονικά στοιχεία που χρησιμοποιούμε Ενεργητικά Στοιχεία: Δίοδοι, Φωτοδίοδοι, Τρανζίστορ, Θυρίστορ, Τράϊακ κλπ. Τα ενεργητικά στοιχεία δεν έχουν γραμμική και προκαθορισμένη συμπεριφορά. Το πώς θα λειτουργήσουν έχει να κάνει από τον τρόπο που θα τα χρησιμοποιήσουμε (πόλωση συνδεσμολογία). Ο ρόλος του είναι κύριος κατά την επιλογή τους στο σχεδιασμό ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος, ενώ τα παθητικά στοιχεία παίζουν τον ρόλο του να τα θέσουν στην σωστή λειτουργία. Τα ενεργητικά στοιχεία είναι η καρδιά κάθε ηλεκτρονικού κυκλώματος. 15
Πως σχεδιάζουμε και αναλύουμε ένα κύκλωμα Στα παθητικά στοιχεία χρησιμοποιούμε απλούς νόμους όπως του νόμους του Kirchhoff και των θεωρημάτων Thevenin-Norton για να αναλύσουμε το κύκλωμα (θεωρία κυκλωμάτων). Πχ. 16
Πως σχεδιάζουμε και αναλύουμε ένα κύκλωμα Με τα ενεργητικά στοιχεία όμως τι κάνουμε? Πώς επιλύουμε ένα κύκλωμα με ένα τρανζίστορ NPN, το οποίο έχει τρεις ακροδέκτες? Τι σχέση έχουν οι ακροδέκτες μεταξύ τους? 17
Πως σχεδιάζουμε και αναλύουμε ένα κύκλωμα Στα ενεργητικά στοιχεία χρησιμοποιούμαι την έννοια του ισοδύναμου ΜΟΝΤΕΛΟΥ. Δηλαδή ενός κυκλώματος το οποίο αποτελείται από απλά στοιχεία, όπως αντιστάσεις, πυκνωτές, πηγές τάσης ρεύματος και το οποίο μπορεί να επιλυθεί με την θεωρεία κυκλωμάτων. Κάθε μηχανικός δουλεύει με ισοδύναμα μοντέλα, τα οποία προσεγγίζουν με μια ορισμένη ακρίβεια την πραγματικότητα. Γιατί? Στις περισσότερες περιπτώσεις η φύση είναι πολύ πολύπλοκη για να περιγράψεις ένα φαινόμενο αναλυτικά. 18
Πως σχεδιάζουμε και αναλύουμε ένα κύκλωμα Πχ. Το παραπάνω μοντέλο μας λέει ότι το τρανζίστορ είναι ένα δίπολο που έχει μια αντίσταση εισόδου r π, μεταξύ βάσης εκπομπού και στην έξοδο του (συλλέκτη)* βγάζει ρεύμα ίσο με β φορές το ρεύμα εισόδου του. Τα β και r π είναι παράμετροι που εξαρτώνται από το τρανζίστορ. * Το παραπάνω παράδειγμα αναφέρεται στην συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού. 19
Πως σχεδιάζουμε και αναλύουμε ένα κύκλωμα Οπότε στο προηγούμενο παράδειγμα έχουμε: = 20
Από τι εξαρτάται ένα ισοδύναμο μοντέλο? Μα φυσικά από την φυσική που υπάρχει πίσω από το σύστημα που περιγράφει. Στην περίπτωση μας από την φυσική που υπάρχει στην λειτουργία του τρανζίστορ. Η Ηλεκτρονική Φυσική μας περιγράφει το πώς λειτουργεί ένα τρανζίστορ, άρα μας οδηγεί στο μοντέλο που πρέπει να ακολουθήσουμε. Κατανοώντας την βασική λειτουργία κάθε ηλεκτρονικού στοιχείου, όλα τα άλλα είναι εύκολα 21
Περιορισμοί (1) Το προηγούμενο μοντέλο που δείξαμε ισχύει μόνο στην περιοχή λειτουργίας του τρανζίστορ που την ονομάζουμε «ενεργή», δηλαδή εκεί που λειτουργεί σαν ενισχυτής. Οι εξωτερικές αντιστάσεις που του συνδέουμε «πολώνουν» το τρανζίστορ στην ενεργή περιοχή, άρα μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το μοντέλο μας. 22
Περιορισμοί (1) Συνεπώς το παιχνίδι του σχεδιασμού λειτουργεί ως εξής: Πολώνουμε το κύκλωμα μας (τρανζίστορ) στην κατάλληλη περιοχή. Εφαρμόζουμε το ισοδύναμο μοντέλο που το περιγράφει και το επιλύουμε. Το πρώτο λέγεται πόλωση του τρανζίστορ (ή DC ανάλυση), το δεύτερο ισοδύναμο κύκλωμα στο AC. Τόσο απλά!!! 23
Άλλο παράδειγμα: η δίοδος Η δίοδος είναι ένα ηλεκτρονικό στοιχείο το οποίο επιτρέπει την ροή του ρεύματος μόνο προς την μια φορά, από την Άνοδο προς την Κάθοδο (συμβατική φορά ρεύματος), αρκεί η τάση να υπερβεί ένα φραγμό δυναμικού. Τα γνωστά λεντάκια είναι φωτοεκπέμπουσες δίοδοι (Light Emission Diode)*. *Λεπτομέρειες και αναλυτικά η αρχή λειτουργίας των διόδων στο σχετικό κεφάλαιο. 24
Άλλο παράδειγμα: η δίοδος Ιδανική δίοδος: 1. Εάν V anode > V cathode το ρεύμα περνάει ελεύθερα. 2. Εάν V anode V cathode το ρεύμα δεν περνάει. Μοντέλο σταθερής τάσης 1. Εάν V anode V cathode > V D το ρεύμα περνάει ελεύθερα. 2. Εάν V anode V cathode V D το ρεύμα δεν περνάει. 25
Άλλο παράδειγμα: η δίοδος Πολώστε το παρακάτω κύκλωμα, ώστε να ανάψει το κόκκινο LED, όταν απαιτείται να το διαρρέει 20mA ρεύμα. Δίνονται V LED = 1.6V. Η LED είναι ορθά πολωμένη, και V=9V > VLED=1.6V, συνεπώς η LED θα άγει ρεύμα. Η αντίσταση R θα πρέπει να είναι τέτοια που θα περιορίζει το ρεύμα στα 20mA, δηλαδή: R= (V-VLED) / 20mA = 370Ω. 26
Περιορισμοί (2) Υπάρχει μόνο ένα ισοδύναμο μοντέλο? Φυσικά OXI! Ανάλογα την ακρίβεια των αποτελεσμάτων που επιθυμούμε υπάρχουν πολυπλοκότερα ισοδύναμα μοντέλα με πλήθος παραμέτρων (αντιστάσεις, χωρητικότητες κλπ.) που οδηγούν σε προσεγγίσεις υψηλότερης ακρίβειας. Τα καλά νέα όμως είναι ότι αυτά τα πολυπλοκότερα μοντέλα, είναι ενσωματωμένα σε προγράμματα εξομοίωσης κυκλωμάτων, άρα την δουλειά την κάνει ο υπολογιστής. 27
Περιορισμοί (2) Ο Υπολογιστής όμως δεν σχεδιάζει ένα κύκλωμα, αυτή είναι δουλεία του μηχανικού και εσύ θα πρέπει να ξέρεις τι πας να κάνεις 28
Περιορισμοί (2): Παράδειγμα Έχουμε 2 πολιτικούς μηχανικούς που και οι 2 χρησιμοποιούν τον ίδιο πρόγραμμα υπολογισμού στατικών (κολώνες, μπετό, σίδηρο κλπ.), δηλαδή χρησιμοποιούν και οι 2 για την επίλυση των στατικών του σπιτιού τα ίδια υπολογιστικά μοντέλα. Ο 1 ος μηχανικός δεν έχει καμιά ιδέα για αυτά τα μοντέλα, αρχές λειτουργίας κλπ. απλά γνωρίζει να χρησιμοποιεί το πρόγραμμα και το εμπιστεύεται. Ο 2 ος μηχανικός έχει σε βάθος γνώση των χρησιμοποιούμενων μοντέλων και των αρχών που τα διέπουν. Εσείς ποιόν μηχανικό θα εμπιστευόσασταν για το σπίτι σας? 29
Χρήση υπολογιστή Παράδειγμα διαιρέτη τάσης με Multisim. Για δωρεάν εκπαιδευτική έκδοση του προγράμματος: http://www.ni.com/academic/multisimse.htm ή στο Google: multisim education edition 30
Σε αυτή την ενότητα μιλήσαμε για: 1.1 Εισαγωγή 31
Ολοκλήρωση Μαθήματος Συγχαρητήρια!! Έχετε ολοκληρώσει με επιτυχία το μάθημα Ηλεκτρονική Φυσική & Οπτικο- ηλεκτρονική Ενότητα 1: Εισαγωγή Δρ. Δημήτριος Γουστουρίδης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα 32