8. OSNOVE ELEKTRONIKE

ELEKTROTEHNIKA 8. OSNOVE ELEKTRONIKE Izv.prof. dr.sc. Vitomir Komen, dipl.ing.el. 1/148

SADRŽAJ: 7.1 Uvod i osnovni pojmovi 7.2 Elektronički elementi 7.3 Elektronički sklopovi 7.4 Elektronički sustavi 7.5 Primijenjena elektronika 2/148

7.1 Uvod i osnovni pojmovi Elektronika je grana znanosti, tehnike i tehnologije koja se bavi izučavanjem i primjenom pojava povezanih s gibanjem elektrona i električki nabijenih čestica kroz poluvodiče, vakuum i plinove, te izradom naprava i uređaja koji takva gibanja rabe za praktične primjene. Područja primijenjene elektronike: Informacijska elektrotehnika - radiokomunikacije - telekomunikacije - računarstvo Elektronika 7.1 Uvod i osnovni pojmovi - energetska elektronika - mjerna elektronika - opća elektronika (potrošačka) Električna upravljačka i regulacijska tehnika (automatika i automatizacija) 3/148

7.1 Uvod i osnovni pojmovi Područja (vrste) elektronike prema karakteru električnog signala koji se obrađuje - SIGNALI (ELEKTRIČNI SIGNALI) električne veličine koje sadrže informacije o promjenama tvari i aktivnostima u našem fizikalnom realnom svijetu - informacija koju sadrži signal predočava se promjenom njegove vrijednosti tijekom vremena promjenjivi valni oblik signala - za obradu (procesiranje) signala u elektroničkim sustavima potrebno je signal pretvoriti u električni signal (pretvornici) koji može biti naponski ili strujni električni signal PREMA VRSTI (karakteru) električnog signala koji se obrađuje u elektroničkim uređajima, razlikujemo: Analogna elektronika iznos signala može imati bilo koju vrijednost između dvije krajnje (analogni signali) Digitalna elektronika iznos signala ima jednu od dvije međusobno dovoljno različite vrijednosti (digitalni signali) Elektronički uređaji se prema složenosti njihove građe i elektroničke funkcije koju obavljaju dijele na: - elektroničke elemente (komponente) - elektroničke sklopove - elektroničke sustave 4/148

7.1 Uvod i osnovni pojmovi Elektronički elementi (komponente) - sastavni dijelovi elektroničkih sklopova - obavljaju osnovne elektroničke funkcije (npr. pojačanje signala, sklapanje i sl.) - prema I-U karakteristici: linearni, nelinearni - prema tehnološkoj izvedbi a) diskretni (pojedinačni) elektronički elementi ugrađuju se na ploču i međusobno električki spajaju - elementi sa žičanim izvodima - elementi za površinsku montažu (SMD tehnologija) b) integrirani elektronički elementi (monolitni i hibridni) ujedinjuju područja elemenata i sklopova - vrste elektroničkih elemenata a) aktivni elektronički elementi - poluvodički elementi (dioda, tranzistor, tiristor i ostali) - elektronske cijevi b) pasivni elektronički elementi - otpornici, kondenzatori, zavojnice, transformatori i ostalo 5/148

Elektronički sklopovi - složeni strujni krugovi koji se sastoje od elektroničkih i električnih elemenata, a namijenjeni su za obavljanje elektroničkih funkcija (npr. pojačavanje signala, generiranje signala i sl.) - vrste elektroničkih sklopova a) analogni osnovni analogni sklop je pojačalo b) digitalni osnovni digitalni sklop je invertor - vrste elektroničkih sklopova prema tehnološkoj izvedbi a) diskretni elektronički sklopovi građeni od pojedinačnih elemenata (tranzistori, diode, otpornici, kondenzatori i zavojnice) b) integrirani elektronički sklopovi svi elementi (tranzistori, diode, otpornici i kondenzatori) smješteni u jedno kućište (hibridni i monolitni) - osnovne funkcije elektroničkih sklopova a) pojačavanje električnog signala pojačavački sklopovi b) uklapanje i isklapanje pomoću dioda i tranzistora (sklopka) Elektronički sustavi 7.1 Uvod i osnovni pojmovi - složena elektronička struktura koja je sastavljena od većeg broja elektroničkih sklopova namijenjenih obavljanju složenijih elektroničkih funkcija (npr. elektroničko računalo, TV prijamnik, telefonska centrala i sl.). 6/148

7.2 Elektronički elementi 7.2 Elektronički elementi 7.2.1 Pasivni elektronički elementi Pasivni elektronički elementi: - otpornici - električni kondenzatori - zavojnice, prigušnice, transformatori i ostali induktivni elementi OTPORNICI - osnovne funkcije: - ograničavanje jakosti struje i stvaranje potrebnog iznosa pada napona - postavljanje (promjena) radnih uvjeta - tehnološke izvedbe: - plastični (ugljenoplastični, metalplastični) - žični - SMD tehnologija površinske montaže - posebni otpornici: - NTC otpornici (termistori) temperaturno ovisni - PTC otpornici - VDR otpornici (varistori) naponski ovisni 7/148

7.2 Elektronički elementi ELEKTRIČNI KONDENZATORI - osnovni parametri: - kapacitet C (F), tolerancija - nazivni napon U N - temperaturno područje, temperaturni koeficijent - faktor gubitaka tg δ - osnovne funkcije: - razdvajanje istosmjernih i izmjeničnih strujnih krugova - kašnjenje odziva - integriranje i diferenciranje napona - ostvarivanje faznog pomaka - kompenzacija jalove snage - izravnavanje (glađenje) valovitosti napona ZAVOJNICE, PRIGUŠNICE, TRANSFORMATORI I OSTALI INDUKTIVNI ELEMENTI 8/148

7.2 Elektronički elementi 7.2.2 Poluvodiči osnova poluvodičkih elektroničkih elemenata Vrste materijala koji imaju primjenu u elektrotehnici - vodiči (vodljivost 10 6 do 10 8 S/m) - poluvodiči (vodljivost 10-2 do 10-3 S/m) - izolatori (vodljivost 10-10 do 10-15 S/m) 9/148

7.2 Elektronički elementi Poluvodički materijali silicij i germanij - temelj moderne/današnje elektronike Strukture atoma: a) silicija; b) germanija STRUKTURA ČISTOG SILICIJA VALENTNOST ±4 10/148

7.2 Elektronički elementi Čisti poluvodički materijali ne vode dobro struju jer im je broj slobodnih elektrona u vodljivom pojasu ograničen otpor silicija (i drugih poluvodičkih materijala) se može drastično smanjiti i kontrolirati dodavanjem primjesa čistome poluvodičkom materijalu proces dopiranja procesom dopiranja se povećava broj nosilaca naboja (elektrona ili šupljina) te se povećava vodljivost, a smanjuje otpor dopiranje se radi sa dvije vrste nečistoća i to nečistoće N-tipa (donori) i nečistoće P-tipa (akceptori), pa dobivamo: 11/148

7.2 Elektronički elementi a) poluvodič N-tipa (N-vodljivi silicij) - ostvaruje se dodavanjem primjesa petovalentnih atoma čistom siliciju (arsen, fosfor, antimon) - donori - povećava se koncentracija slobodnih elektrona, pa su elektroni većinski nosioci naboja 12/148

7.2 Elektronički elementi b) poluvodič P-tipa (P-vodljivi silicij) - ostvaruje se dodavanjem primjesa trovalentnih atoma čistom siliciju (bor, aluminij) - akceptori - povećava se koncentracija šupljina, pa su šupljine većinski nosioci naboja Umnožak koncentracije elektrona n i koncentracije šupljina p u poluvodiču u ravnoteži je jednak kvadratu koncentracije elektrona u čistome poluvodiču: n p 2 n i 13/148

7.2 Elektronički elementi PN spoj - ako polovicu uzorka silicija dopiramo tako da ostvarimo N-tip poluvodiča, a preostalu polovicu tako da ostvarimo P-tip poluvodiča, između dvaju područja nastane PN prijelaz - područje N-tipa ima višak vodljivih elektrona, a područje P-tipa višak šupljina - PN spoj je temelj za rad poluvodičkih dioda, tranzistora i ostalih poluvodičkih elemenata Temeljna PN struktura: a) načelni spoj; b) spoj s označenim većinskim nosiocima naboja 14/148

7.2 Elektronički elementi - RAVNOTEŽNO STANJE U PN-PRIJELAZU - u PN spoju bez priključenog vanjskog izvora nastaje rekombinacija elektrona iz N-sloja sa šupljinama u P-sloju (negativni ioni) i šupljina iz P-sloja sa elektronima u N-sloju (pozitivni ioni) - postojanje negativnih i pozitivnih iona na suprotnim stranama prijelaza stvara potencijalnu barijeru U B0 (0,7 V za Si; 0,3 V za Ge), te struja kroz PN-prijelaz ne teče 15/148

7.2 Elektronički elementi - PROPUSNO POLARIZIRANJE PN-prijelaza - stanje koje dopušta protjecanje struje kroz PN-prijelaz 16/148

7.2 Elektronički elementi Način protjecanja struje u propusno polariziranoj diodi (otpor R ograničava struju na dopuštenu vrijednost) - struja kroz N-područje kretanje vodljivih elektrona (većinskih nosilaca) - struja kroz P-područje kretanje šupljina (većinskih nosilaca) 17/148

7.2 Elektronički elementi - NEPROPUSNO / ZAPORNO POLARIZIRANJE PN-prijelaza - stanje u kojem kroz PN-prijelaz teče mala struja 18/148

7.2 Elektronički elementi Reverzno polariziranje: a) prijelazna struja proširuje osiromašeno područje; b) struja prestane teći kada potencijal barijere postane jednak polarizirajućem naponu - struja većinskih nosilaca naboja vrlo brzo postaje jednaka nuli - kroz PN-prijelaz teče vrlo mala reverzna struja manjinskih nosilaca naboja (reda μa ili na) - ako se vanjski reverzni napon poveća do dovoljno velike vrijednosti može nastati lavinski proboj 19/148

7.2 Elektronički elementi 7.2.3. Poluvodička PN dioda Diode opće namjene (ispravljačke diode) sastoje se od p-tipa i n-tipa poluvodiča. Mogu biti silicijske i germanijske. Izvod povezan s p-tipom poluvodiča je anoda (A), a izvod povezan s n-tipom je katoda (K). POLUVODIČKE DIODE su elektroničke komponente koje propuštaju struju kada su polarizirane propusno, a ne propuštaju struju kada su polarizirane zaporno (nepropusno). PN diode polariziraju se vanjskim naponom. 20/148

7.2 Elektronički elementi Kad je anoda na pozitivnijem potencijalu od katode, za diodu se kaže da je propusno polarizirana. U tom slučaju kroz diodu teče propusna struja I F (engl. forward current) od anode prema katodi. Dioda djeluje kao uključena sklopka. 21/148

7.2 Elektronički elementi 22/148

7.2 Elektronički elementi Kad je katoda na pozitivnijem potencijalu od anode, dioda je zaporno (nepropusno) polarizirana. Kroz diodu teče u smjeru od katode prema anodi vrlo mala struja I R koja se naziva reverzna struja (preostala struja, engl. reverse current). Dioda djeluje kao isključena sklopka. 23/148

7.2 Elektronički elementi Strujno-naponska karakteristika diode Grafički prikaz odnosa napona i struje diode naziva se strujno-naponska karakteristika diode. Statička strujno-naponska karakteristika PN diode pokazuje ovisnost propusne struje o propusnom naponu (I. kvadrant) i nazvana je propusna karakteristika, te ovisnost zaporne struje o zapornom naponu (III. kvadrant) i nazvana je zaporna / reverzna karakteristika. Dioda postaje vodljiva kad priključeni napon propusne polarizacije dostigne iznos U T. Taj napon naziva se napon praga ili napon koljena i za silicijske diode iznosi oko 0,6 V 0,7 V, a za germanijske diode 0,2 V 0,3 V. 25/148

7.2 Elektronički elementi Ako priključeni napon zaporne polarizacije prijeđe vrijednost U BR, koja se naziva probojni napon, dolazi do nagloga porasta reverzne struje, što može prouzročiti uništenje diode. Iznos probojnoga napona za diode kreće se u rasponu od nekoliko desetaka volta do nekoliko kilovolta. 26/148

7.2 Elektronički elementi Karakteristične veličine diode Najvažnije karakteristične veličine diode jesu: - dopuštena vrijednost napona zaporne polarizacije U R koja se smije priključiti na diodu a da ne dođe do njezina trajnog oštećenja - dopuštena jakost struje I F koja smije teći kroz diodu pri propusnoj polarizaciji a koja neće uzrokovati trajno oštećenje diode - dopušteni utrošak snage P tot - temperaturno područje rada - oblik kućišta i raspored izvoda 27/148

7.2 Elektronički elementi Primjena PN dioda ispravljanje pretvorba izmjenične struje u istosmjernu struju a) POLUVALNO ISPRAVLJANJE 28/148

7.2 Elektronički elementi a) b) Poluvalni ispravljač: a) shema spoja; b) valni oblici ulaznoga i izlaznoga napona 29/148

7.2 Elektronički elementi b) PUNOVALNO ISPRAVLJANJE 1. ISPRAVLJAČ SA SREDNJOM TOČKOM 30/148

7.2 Elektronički elementi 2. ISPRAVLJAČ U MOSNOM SPOJU 32/148

7.2 Elektronički elementi Shema spoja izvora istosmjernog napona s mosnim ispravljačem i kondenzatorom velikog kapaciteta za potiskivanje valovitosti pulzirajućeg istosmjernog napona 34/148

7.2 Elektronički elementi Zenerova dioda Simboli Zenerove diode Strujno-naponska karakteristika Zenerove diode 35/148

7.2 Elektronički elementi Zenerova dioda: a) statička strujno-naponska karakteristika; b) ekvivalentna shema 36/148

7.2 Elektronički elementi Zenerova dioda je PN dioda koja radi u području proboja. Zenerova dioda je silicijska dioda koja ima svojstvo da kad se na nju priključi napon nepropusne polarizacije veći od vrijednosti napona proboja, ona održava stalan napon, praktično neovisan o struji koja teče kroz diodu. Propusno polarizirana Zenerova dioda djeluje kao ispravljačka dioda. Kad je Zenerova dioda zaporno polarizirana, kroz nju ne teče struja sve dok napon priključenog izvora ne prijeđe iznos probojnog napona U z, a tada dioda prelazi u stanje Zenerova proboja i održava stalan napon U z. Probojni naponi Zenerovih dioda se kreću od nekoliko volta do nekoliko stotina volta. Zenerove diode koriste se kao stabilizatori i ograničivači napona. 37/148

7.2 Elektronički elementi PRIMJER PRAKTIČNE PRIMJENE: Regulator istosmjernog napona sa Zenerovom diodom 38/148

7.2 Elektronički elementi 7.2.4. Tranzistor Tranzistor je troelektrodna komponenta koja ima daleko širu primjenu od dvoelektrodnih komponenata, od primjene za pojačavanje signala do onih u digitalnim logičkim i memorijskim sklopovima. Načelo njegova rada temelji se na dovođenju napona između dvije elektrode kojim se upravlja protokom struje kroz treću elektrodu. Stoga se troelektrodna komponenta može primijeniti za ostvarenje upravljanoga izvora, što i jest temelj za projektiranje pojačala. U krajnjem, upravljačkim signalom mogu se proizvesti promjene struje od ništice do najvećih vrijednosti, te se takva komponenta može primijeniti kao sklopka. Sklopka je temeljna komponenta logičkog invertora, a invertor temeljna komponenta digitalnih sklopova. Tranzistori se dijele na: bipolarne i unipolarne (FET). BIPOLARNI TRANZISTORI Bipolarni tranzistor se sastoji od dvaju PN-prijelaza izrađenih na poseban način i međusobno spojenih u seriju. Struja u tranzistoru rezultat je kretanja i elektrona i šupljina, i zato je nazvan bipolarni. 39/148

7.2 Elektronički elementi Bipolarni tranzistor sastoji se od tri poluvodička sloja na koja su priključene metalne elektrode. Slojevi i elektrode nazivaju se baza (B), emiter (E) i kolektor (C). S obzirom na raspored poluvodičkih slojeva tranzistori mogu biti NPN tipa (slika a) ili PNP tipa (slika b). S obzirom na materijal od kojega se izrađuju mogu biti silicijski ili germanijski. 40/148

7.2 Elektronički elementi Budući da tranzistor ima tri elektrode, jedna se upotrebljava kao ulazna, druga kao izlazna, a treća je zajednička ulaznom i izlaznom strujnom krugu. Zajednička elektroda može biti bilo koja pa se u praksi primjenjuju sva tri načina spajanja tranzistora: spoj zajedničkog emitera, spoj zajedničke baze i spoj zajedničkog kolektora. Svaki spoj ima svoje osobitosti koje ga čine prikladnim za određene svrhe. U praksi se najčešće upotrebljava spoj zajedničkog emitera. 42/148

7.2 Elektronički elementi DJELOVANJE TRANZISTORA Ovisno o načinu polariziranja PN prijelaza tranzistor može raditi u različitim stanjima. Ako je PN-spoj E-B propusno polariziran, a PN-spoj C-B nepropusno, tranzistor radi u normalnom aktivnom području. To se stanje primjenjuje za rad tranzistora kao pojačala. 43/148

7.2 Elektronički elementi Tranzistorski učinak NPN strukture osniva se na dvjema pojavama: - s pomoću male upravljačke struje baze iz sloja emitera nastaje jaka injekcija elektrona u P-sloj-bazu - elektroni prispjeli u bazu praktički se ne rekombiniraju, a zbog utjecaja polja kolektorskog PN-prijelaza dolaze u kolektor kao struja kolektora 44/148

7.2 Elektronički elementi Omjer struje kolektora i struje baze je β strujno pojačanje tranzistora u spoju sa zajedničkim emiterom. I I C B Faktor strujnog pojačanja tranzistora AKTIVNO PODRUČJE: BE spoj propusno polariziran CB spoj zaporno polariziran I C je regulirana sa I B 45/148

7.2 Elektronički elementi Za praktičnu primjenu tranzistora potrebno je poznavati odnose između pojedinih struja i napona tranzistora. Proizvođači tranzistora daju za svaki tip i osnovni spoj tzv. statičke karakteristike iz kojih se vide omjeri pojedinih struja i napona tranzistora. Za praktičnu primjenu najvažnije su ulazne, prijenosne i izlazne karakteristike tranzistora. - Ulazne karakteristike tranzistora 46/148

47/148 ELEK - Prijenosne karakteristike tranzistora., konst CE B C U I f I B C B C I I I I Faktor pojačanja 1 B C I I E C I I 7.2 Elektronički elementi

7.2 Elektronički elementi - Izlazne karakteristike tranzistora I U, I konst. Izlazne statičke U-I karakteristike prikazuju ovisnost struje I C kolektora o naponu U CE između kolektora i emitera za različite struje baze. C f CE B 48/148

7.2 Elektronički elementi Primjena bipolarnog tranzistora Bipolarni tranzistori se široko primjenjuju u elektroničkim sklopovima, međutim osnovna im je primjena u pojačalima. TRANZISTORSKA POJAČALA 49/148

7.2 Elektronički elementi NAPONSKO POJAČANJE A U IZLAZNI NAPON SIGNALA ULAZNI NAPON SIGNALA STRUJNO POJAČANJE A I STRUJA IZLAZNOG SIGNALA STRUJA ULAZNOG SIGNALA POJAČANJE SNAGE A P A U A I 50/148

7.2 Elektronički elementi Blokovska shema pojačivačke kaskade strujnog pojačanja 1600 51/148

7.2 Elektronički elementi Pojačala mogu biti u spoju sa zajedničkim emiterom, sa zajedničkom bazom i sa zajedničkim kolektorom. U praksi se najviše rabi pojačalo sa zajedničkim emiterom jer ima dobru kombinaciju strujnog i naponskog pojačanja, pa zato i veliko pojačanje snage. Primjer jednostavnog izmjeničnog pojačala u spoju zajedničkog emitera 52/148

7.2 Elektronički elementi UNIPOLARNI TRANZISTORI Tranzistori s efektom polja (FET tranzistori) jesu tranzistori u kojima se protokom struje upravlja vanjskim naponom. Budući je za rad ovih tranzistora bitna jedna vrsta nosilaca naboja (većinskih) nazivaju se unipolarni tranzistori. Prema načinu rada razlikuju se: a) spojni tranzistor s efektom polja (JFET) b) tranzistor s efektom polja i izoliranom upravljačkom elektrodom (MOSFET) c) bipolarni tranzistor s izoliranom upravljačkom elektrodom (IGBT) kombinacija unipolarnih i bipolarnih tranzistora Simboli različitih tipova unipolarnih tranzistora 53/148

7.2 Elektronički elementi S UVOD D ODVOD G UPRAVLJAČKA ELEKTRODA Struktura N-kanalnog spojnog tranzistora s efektom polja 54/148

7.2 Elektronički elementi Načelni prikaz presjeka strukture N-kanalnog MOSFET-a Unipolarni tranzistori (JFET, MOSFET) mogu se upotrebljavati kao linearna pojačala, slično kao bipolarni tranzistori. 55/148

7.2 Elektronički elementi 7.2.5. Tiristor Tiristori su elektroničke komponente sa četveroslojnom poluvodičkom strukturom sa upravljačkom elektrodom. Najvažnije svojstvo tiristora jest mogućnost upravljanja vrlo velikim snagama uz utrošak malih iznosa snaga. Tiristori imaju dva stabilna stanja, vodljivo i nevodljivo, a prijelaz iz jednoga stanja u drugo stanje vrlo je brz. Postoje brojne različite vrste tiristora široko područje poluvodičkih elemenata, tako postoje tiristori s dvije, tri i četiri elektrode. 56/148

7.2 Elektronički elementi Četveroslojna dioda jednosmjerni diodni tiristor Struktura i simbol jednosmjernog diodnog tiristora Strujno naponska karakteristika jednosmjernog diodnog tiristora 57/148

7.2 Elektronički elementi Tiristor SCR silicijska upravljiva ispravljačica (SILICON CONTROLLED RECTIFIER) JEDNOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR 58/148

7.2 Elektronički elementi Struktura i simbol jednosmjernog triodnog tiristora Strujno naponska karakteristika jednosmjernog triodnog tiristora 59/148

7.2 Elektronički elementi DIJAK (DIAC) DVOSMJERNI DIODNI TIRISTOR Struktura i simbol dijaka Strujno naponska karakteristika dijaka 60/148

7.2 Elektronički elementi TRIAC DVOSMJERNI TRIODNI TIRISTOR Struktura i simbol Triac Strujno naponska karakteristika Triac 61/148

7.2 Elektronički elementi PRIMJENA TIRISTORA Tiristori se kao sklopni beskontaktni elementi široko primjenjuju uglavnom u uređajima energetske elektronike, a najviše se upotrebljava upravo SCR tiristor. Primjeri primjene: - u energetskim pretvaračima ispravljačima i izmjenjivačima - za regulaciju brzine vrtnje istosmjernih motora - za regulaciju rasvjete i sl. 62/148

7.2 Elektronički elementi PRIMJER: Regulacija srednje vrijednosti ispravljenog izmjeničnog napona Regulacija srednje vrijednosti ispravljene struje tiristorom Poluvalno fazno reguliranje s tiristorom: a) shema spoja b) valni oblik napona izmjenične mreže c) valni oblici struja upravljačke elektrode za različite vrijednosti R G d), e) i f) valni oblici napona na trošilu za različite vrijednosti R G 63/148

7.2 Elektronički elementi 7.2.6. Optoelektronički elementi Optoelektronički elementi su komponente čije je djelovanje povezano sa svjetlosnim efektom. Optoelektroničke elementi se dijele u tri skupine: - Fotodetektori: Pretvaraju svjetlosnu energiju u električnu - Svjetlosni izvori: Električnu energiju pretvaraju u svjetlosnu - Fotovezni ili optovezni elementi: Kombinacija su svjetlosnog izvora i fotodetektora Primjena optoelektroničkih elemenata: - automatsko osvjetljavanje, - daljinsko upravljanje, - TV prijemnici i monitori, - indikatori stanja, - alarmni sustavi, senzori 64/148

7.2 Elektronički elementi FOTOOTPORNIK LDR Light dependent resistor : Električni otpor ovisi o osvijetljenosti njegove površine. 65/148

7.2 Elektronički elementi FOTODIODA Kada se zaporno polarizirana fotodioda osvijetli, povećava se struja: 20 500 puta. 66/148

7.2 Elektronički elementi FOTOTRANZISTOR Djelovanje slično običnom bipolarnom tranzistoru s tim što se struja baze stvara osvjetljavanjem PN spoja : Baza Kolektor. 67/148

7.2 Elektronički elementi SVIJETLEĆE DIODE LED Light emitting diode: Propusno polarizirana dioda zrači svjetlost. 68/148

7.2 Elektronički elementi FOTOVEZNI ELEMENTI Kombinacija su svjetlosnog izvora (LED) i fotodetektora (fotodioda, fototranzistor ili sl.) u jednom kućištu. 69/148

7.2 Elektronički elementi 7.2.7. Integrirani sklopovi Integrirani sklopovi (engl. integrated circuits, IC) imaju male dimenzije, malu masu i malu potrošnju snage. Primjenjuju se u suvremenim elektroničkim sklopovima. Oni zamjenjuju tranzistore u elektroničkim sklopovima kao što su prethodno tranzistori zamijenili vakuumske elektronske cijevi. Integrirani sklopovi su suvremene mikroelektroničke komponente za elektroničke sklopove. Sastoje se od mikroskopski malih elektroničkih komponenata kao što su diode, tranzistori, otpornici i kondenzatori. Pakiraju se u pojedinačna hermetički zatvorena kućišta s priključnicama. Integrirani sklopovi mogu biti linearni i digitalni. Linearni integrirani sklopovi rabe se u analognim sklopovima, kao što su audio pojačala, regulatori napona, operacijska pojačala i radiofrekvencijski sklopovi. Većina su linearnih integriranih sklopova komponente male snage s disipacijom snage manjom od 1 W. Oni su, međutim, raspoloživi i kao čipovi većih snaga, 5 W ili više. Digitalni integrirani sklopovi rabe se u računalima, kalkulatorima, digitalnim satovima, kao i mnogim drugim digitalnim sklopovima. 70/148

7.2 Elektronički elementi LINEARNI INTEGRIRANI SKLOP (LIS) Linearni integrirani sklop (LIS) je istosmjerno pojačalo vrlo velikog naponskog pojačanja. LIS se sastoji od diferencijalnog pojačala na ulazu, međustupnja za pojačanje napona i izlaznog stupnja za pojačanje snage. Osnovni LIS kao industrijski standard μa741 odnosno LM 741 ima naponsko pojačanje 200.000, ulazni otpor 2 MΩ i izlazni otpor 75 Ω. Linearni integrirani sklop 741: a) pojednostavljena shema spoja strukture b) simbol s priključnicama c) raspored priključnica na kućištu 71/148

7.2 Elektronički elementi LIS pojačava diferencijski ulazni signal, a potiskuje zajednički ulazni signal. 72/148

7.3 Elektronički sklopovi 7.3 Elektronički sklopovi 7.3.1 Pojačala Općenito o pojačalima Pojačalo ostvaruje pojačanje napona, pojačanje struje ili pojačanje snage. Pojačanje pojačala je omjer istovrsnih izlaznih i ulaznih veličina. Blokovske sheme pojačala: a) trokutni kao opći simbol pojačala s ulazom i izlazom; b) kvadratični s parovima priključnica 73/148

7.3 Elektronički sklopovi Blokovska shema pojačala naponskog pojačanja A U = 40 Blokovska shema pojačala strujnog pojačanja A I = 30 74/148

7.3 Elektronički sklopovi NAPONSKO POJAČANJE A U u u iz ul A U 20log u u iz ul (db) STRUJNO POJAČANJE A I i i iz ul A I 20log i i iz ul (db) 75/148

7.3 Elektronički sklopovi Osnovna struktura pojačivačkog elektroničkog sklopa 76/148

Osnovni spojevi pojačala 7.3 Elektronički sklopovi Pojačala mogu biti u spoju sa zajedničkim emiterom, sa zajedničkom bazom i sa zajedničkim kolektorom. U praksi se najviše rabi pojačalo u spoju sa zajedničkim emiterom jer ima dobru kombinaciju strujnog i naponskog pojačanja, pa zato i veliko pojačanje snage. Osnovne sheme tranzistorskih pojačivačkih spojeva: a) opći slučaj sklopa sa zajedničkom priključnicom; b) spoj sa zajedničkom bazom; c) spoj sa zajedničkim emiterom; d) spoj sa zajedničkim kolektorom 77/148

7.3 Elektronički sklopovi Pojačalo u spoju sa zajedničkim emiterom Temeljna shema spoja pojačala sa zajedničkim emiterom 78/148

7.3 Elektronički sklopovi Analiza rada pojačala sa zajedničkim emiterom Shema spoja jednostupanjskog pojačala sa zajedničkim emiterom (instrumenti mjere srednje vrijednosti) Valni oblici struja i napona u pojačalu sa zajedničkim emiterom: a) struje baze b) struje kolektora c) napona na kolektoru 79/148

7.3 Elektronički sklopovi 7.3.2 Operacijska pojačala Osnovno o operacijskim pojačalima Operacijsko pojačalo je sklop koji se sastoji od linearnog integriranog elektroničkog sklopa (LIS-a) i mreže povratne veze, a velikoga naponskog pojačanja. Ova pojačala su nazvana operacijska pojačala jer mogu obavljati određene matematičke operacije (zbrajanje, oduzimanje, množenje, dijeljenje i sl.). U operacijskom pojačalu primjenjuju se stvarni linearni integrirani elektronički sklopovi, npr. LIS μa741 (ulazni otpor 2 MΩ, izlazni otpor 75 Ω, naponsko pojačanje A UO = 200.000). 80/148

7.3 Elektronički sklopovi Osnovni sklopovi s operacijskim pojačalima a) INVERTIRAJUĆE OPERACIJSKO POJAČALO u iz R pv R u ul Invertirajuće operacijsko pojačalo invertira fazu ulaznog signala i pojačava ulazni signal. 81/148

7.3 Elektronički sklopovi b) NEINVERTIRAJUĆE OPERACIJSKO POJAČALO u iz R 1 R 1 R pv u ul Neinvertirajuće operacijsko pojačalo ne invertira ulazni signal, a pojačava ulazni signal. 82/148

7.3 Elektronički sklopovi c) DIFERENCIJSKO OPERACIJSKO POJAČALO Diferencijsko operacijsko pojačalo nastaje spajanjem invertirajućeg i neinvertirajućeg operacijskog pojačala, a može biti nesimetrično i simetrično. Shema spoja nesimetričnog diferencijskog operacijskog pojačala Shema spoja simetričnog diferencijskog operacijskog pojačala 83/148

7.3 Elektronički sklopovi Primjeri praktične primjene operacijskih pojačala a) NAPONSKO SLJEDILO Operacijsko pojačalo spojeno kao naponsko sljedilo ima kratko spojen izlaz s invertirajućim ulazom pojačala, čime se na izlazu dobiva istovjetan napon kao na neinvertirajućem ulazu. uiz u ul 84/148

7.3 Elektronički sklopovi b) ELEKTRONIČKI SKLOP ZA ZBRAJANJE u iz R 4 u R ul1 1 u R ul2 2 u R ul3 3 u iz R pv u R ul1 1 u R ul2 2 85/148

7.3 Elektronički sklopovi c) ELEKTRONIČKI SKLOP DERIVATOR / INTEGRATOR u iz ( t) C1R 2 duul( t) dt u iz 1 R C 1 1 t u dt t u dt R C ul ul 0 0 1 1 86/148

7.3 Elektronički sklopovi d) ELEKTRIČNI FILTERI Električni filteri su elektronički sklopovi koji odvajaju željene električne signale od neželjenih. Filteri razdvajaju signale različitih frekvencija, tako da signale određenih frekvencija propuštaju, a druge guše odnosno ne propuštaju. Vrste filtera: niskopropusni, visokopropusni, pojasno propusni, pojasno nepropusni Niskopropusni filter 87/148

7.3 Elektronički sklopovi Visokopropusni filter 88/148

7.3 Elektronički sklopovi e) IZVEDBA PROTUPOŽARNOG ALARMA SA OPERACIJSKIM POJAČALOM 89/148

7.3 Elektronički sklopovi f) IZVEDBA ph METRA SA OPERACIJSKIM POJAČALOM 90/148

7.3.3 Oscilatori 7.3 Elektronički sklopovi Osnovno o oscilatorima Oscilatori elektronički sklopovi koji generiraju periodični izmjenični napon ili struju zadane frekvencije. To su dakle elektronski generatori izmjeničnog električnog napona ili struje zadane frekvencije. Oscilatori se razlikuju prema obliku izlaznog signala, frekvenciji, izvedbi i sl. Primjeri oblika izlaznog napona sinusoidalni, pravokutni, pilasti 91/148

7.3 Elektronički sklopovi Oscilatori su elektronički sklopovi sa primjenom u gotovo svim naprednijim elektroničkim uređajima (ručni sat, radio prijemnik, bežični i mobilni telefoni, ekrani monitora i TV) Vrste oscilatora: - harmonijski generiraju sinusoidalni napon - relaksacijski generiraju pravokutne, pilaste ili druge oblike napona Prema frekvenciji oscilatori se dijele na: - niskofrekventne (f < 20 khz) - visokofrekventne (RF) - mikrovalne 92/148

7.3 Elektronički sklopovi Prema izvedbi oscilatori se dijele na: RC, RL, LC, mosne i oscilatore s kristalom. Zajedničko svim navedenim oscilatorima je primjena prikladne povratne veze radi stalnog pobuđivanja novih oscilacija. 93/148

7.3 Elektronički sklopovi RC oscilator Koristi se za dobivanje sinusoidalnih signala frekvencije od nekoliko Hz pa do nekoliko stotina khz. 94/148

7.3 Elektronički sklopovi 7.3.4 Stabilizatori napona i struje Stabilizator je elektronički sklop koji smanjuje promjene napona radi vanjskih utjecaja (promjena ulaznog napona, promjena opterećenja, promjena temperature i sl.) VRSTE STABILIZATORA a) serijski stabilizator tranzistor kao regulacijski element je serijski spojen sa trošilom 95/148

7.3 Elektronički sklopovi 96/148

7.3 Elektronički sklopovi b) paralelni stabilizator tranzistor kao regulacijski element je paralelno spojen sa trošilom 97/148

7.3 Elektronički sklopovi STABILIZIRANI IZVORI NAPONA Blok shema stabiliziranog izvora napona Serijski stabilizirani izvor napona 98/148

7.3 Elektronički sklopovi Izlazna U-I karakteristika stabiliziranog izvora napona Faktor stabilizacije S U U IZ IZ 99/148

7.3 Elektronički sklopovi 7.3.5 Elektronički sklopovi energetske elektronike OSNOVNO O SKLOPOVIMA ENERGETSKE ELEKTRONIKE Energetska elektronika je dio elektronike koji se koristi za pretvorbu parametara električne energije i za upravljanje (regulaciju) tokom električne energije. Električna energetska pretvorba se odvija u uređajima energetske elektronike koji mijenjaju jedan ili više parametara električne energije bez značajnog gubitka snage uporabom elektroničkih komponenti. Elektronički energetski pretvarači spajaju dva, po nekom od parametara električne energije, različita električna sustava. 100/148

7.3 Elektronički sklopovi Podjela sklopova energetske elektronike 101/148

7.3 Elektronički sklopovi Osnovna struktura elektroničkog energetskog pretvarača: 102/148

7.3 Elektronički sklopovi a) ISPRAVLJAČI Vrste: - poluvalni, punovalni - neupravljivi, poluupravljivi, punoupravljivi - JEDNOFAZNI POLUVALNI NEUPRAVLJIVI ISPRAVLJAČ - PUNOVALNI NEUPRAVLJIVI ISPRAVLJAČ U SPOJU SA ZAJEDNIČKOM TOČKOM 103/148

7.3 Elektronički sklopovi - JEDNOFAZNI PUNOVALNI NEUPRAVLJIVI MOSNI DIODNI ISPRAVLJAČ (GRETZOV SPOJ) - JEDNOFAZNI PUNOVALNI UPRAVLJIVI MOSNI TIRISTORSKI ISPRAVLJAČ 104/148

7.3 Elektronički sklopovi - TROFAZNI PUNOVALNI PUNOUPRAVLJIVI MOSNI TIRISTORSKI ISPRAVLJAČ 105/148

7.3 Elektronički sklopovi b) ISTOSMJERNI PRETVARAČI / ČOPERI 106/148

7.3 Elektronički sklopovi 107/148

7.3 Elektronički sklopovi Čoperi su regulatori istosmjernog napona (struje) koji uključivanjem i isključivanjem elektroničkog ventila sjeckaju ulazni napon i tako na izlazu daju regulirani istosmjerni napon (ili struju). 108/148

7.3 Elektronički sklopovi c) IZMJENJIVAČI (DC-AC) Izmjenjivači su uređaji energetske elektronike koji pretvaraju istosmjernu električnu energiju u izmjeničnu. 109/148

7.3 Elektronički sklopovi d) IZMJENIČNI PRETVARAČI (AC-AC) PRETVARAČI FREKVENCIJE Izmjenični pretvarači su uređaji energetske elektronike koji na izlazu daju napon i frekvenciju druge vrijednosti od ulaznog napona i frekvencije, a koje je u pravilu moguće i regulirati. 110/148

7.3 Elektronički sklopovi Primjeri: blok shema pretvarača za reguliranje brzine vrtnje motora 111/148

7.3 Elektronički sklopovi primjena energetske elektronike u proizvodnji, distribuciji i potrošnji 112/148

7.3 Elektronički sklopovi 7.3.6 Digitalni elektronički sklopovi Vrste električnih signala Analogni signali Digitalni signali Binarni signali Digitalna elektronika područje elektronike u kojem signali mogu imati dva iznosa kojima se pridružuju znamenke 0 (low, false) i 1 (hi, true), što omogućava prikaz podataka u brojčanom obliku binarnog brojevnog sustava. 113/148

7.3 Elektronički sklopovi Brojevni sustavi a) Decimalni brojevni sustav (deset znamenaka 0, 1-9) 2 1 372 300 70 2 3 10 7 10 2 10 0 b) Binarni brojevni sustav (dvije znamenke 0, 1) 10110 2 1 2 4 1 16 0 2 3 0 8 1 2 2 1 4 1 2 1 1 2 0 2 0 0 1 22 10 Broj 0 ili 1 BIT (BINARY DIGIT) 4-BITNA RIJEČ (npr.: 1010) 8-BITNA RIJEČ (npr.: 10101100) NIBBLE BYTE 114/148

7.3 Elektronički sklopovi Algebarske operacije - zbrajanje - oduzimanje 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 10 0 11 1 0 BOOLE-ova algebra osnova digitalnih elektroničkih sklopova Booleova algebra je zatvoren matematički sustav sastavljen od dva elementa {0,1} i tri osnovne operacije I (AND), ILI (OR) i NE (NOT). Svaka operacija se ostvaruje odgovarajućim logičkim sklopom koji su osnova digitalnih elektroničkih sklopova. 115/148

7.3 Elektronički sklopovi Osnovni logički sklopovi a) Logički sklop I (AND) na izlazu daje stanje 1 samo kad su svi ulazi u stanju 1 116/148

7.3 Elektronički sklopovi b) Logički sklop ILI (OR) sklop koji na izlazu daje stanje 1 kad je bilo koji ulaz u stanju 1 117/148

7.3 Elektronički sklopovi c) Logički sklop NE (NOT) sklop koji na izlazu daje stanje suprotno stanju na ulazu 118/148

7.3 Elektronički sklopovi d) Logički sklop NI (NAND) sklop koji daje na izlazu stanje 1 kad je bilo koji ulaz u stanju 0 e) Logički sklop NILI (NOR) sklop koji daje na izlazu stanje 1 samo kad su svi ulazi u stanju 0 119/148

7.3 Elektronički sklopovi f) Integrirani logički sklopovi 120/148

7.3 Elektronički sklopovi g) Složeni logički sklopovi povezivanje osnovnih logičkih sklopova 121/148

7.3 Elektronički sklopovi Osnovni digitalni elektronički sklopovi Kombinacijom osnovnih logičkih sklopova se tvore kompleksniji logički sklopovi digitalni sklopovi. a) Zbrajalo funkcija zbrajanja u binarnom sustavu 122/148

7.3 Elektronički sklopovi b) Multiplekser prema zadanim uvjetima S izabire jedno od stanja na ulazima i prenosi ga na izlaz 123/148

7.3 Elektronički sklopovi c) Demultiplekser prema zadanim uvjetima S prenese ulazno stanje na jedan od izlaza 124/148

7.3 Elektronički sklopovi d) Dekoder prema zadanim uvjetima S postavi jedan od izlaza na vrijednost 1 125/148

7.3 Elektronički sklopovi e) Enkoder na izlazu daje binarnu riječ koja sadrži redni broj (adresu) ulaza koji je postavljen u stanje 1 126/148

7.3 Elektronički sklopovi f) ROM sprema informacije u obliku binarnih riječi, a vrijednosti se mogu čitati a ne i mijenjati 127/148

7.3 Elektronički sklopovi g) Sustavi za kontrolu i pristup podacima rezultate mjerenja fizičkih veličina se pretvara u digitalni oblik, podaci se logički obrađuju i rezultat pretvara natrag u analogni oblik h) Registri Brojila Memorije 128/148

7.4 Elektronički sustavi 7.4 Elektronički sustavi Sustav za digitalno upravljanje Poopćeni prikaz sustava za digitalno upravljanje prikazan je na slici. Odvijanjem nekog procesa mijenjaju se njegove karakteristične veličine (npr. pomak, brzina, temperatura i sl.). Osjetilo mjeri te promjene i šalje ih na sklop za analognu obradu signala. Analogno-digitalni pretvornik signalu daje digitalni oblik nakon čega signal dolazi u računalo na obradu. Programska potpora (softver) određuje što i kako se u promatranom procesu mora mijenjati. Digitalni signal se iz računala dovodi u digitalnoanalogni pretvornik koji ga vraća u analogni oblik. Taj signal djeluje na izvršni član i vrši potrebnu promjenu u procesu. 129/148

7.4 Elektronički sustavi 130/148

Primjer: 7.4 Elektronički sustavi 135/148

7.4 Elektronički sustavi Primjer: Elektronički sustavi u automobilu 137/148

7.4 Elektronički sustavi Mikroračunala Danas se upotrebljava vrlo velik broj digitalnih sustava različite namjene koji se mogu smatrati programski upravljanim uređajima, tj. računalima različite namjene. Sva se ta računala zasnivaju na načelima koja je prije više od pola stoljeća izložio američki matematičar John von Neumann. Njegov model računala prikazan je slikom. 139/148

7.4 Elektronički sustavi Programirljivi logički upravljači (PLC kontroleri) 140/148

7.5 Primijenjena elektronika 7.5 Primijenjena elektronika INFORMACIJSKA ELEKTROTEHNIKA Grana elektrotehnike koja se bavi primjenom, obradom, pohranjivanjem, pretvorbom i prijenosom informacija. Informacijska elektrotehnika radiokomunikacije telekomunikacije računarstvo 141/148

7.5 Primijenjena elektronika 142/148

7.5 Primijenjena elektronika ELEKTRONIKA Grana elektrotehnike koja se bavi elektroničkim komponentama i njihovom primjenom u elektroničkim sklopovima i uređajima. Elektronika: energetska elektronika informacijska elektronika opća elektronika 144/148

7.5 Primijenjena elektronika ELEKTRIČNA UPRAVLJAČKA I REGULACIJSKA TEHNIKA Grana elektrotehnike koja povezuje informacijsku i energetsku elektrotehniku, a ima primjenu u gotovo svim drugim granama tehnike. 146/148