SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY

Transkript

1 SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY Učební obor: ELEKTRO bakalářské studium Počet hodin: 90 z toho 30 hodin v 1. semestru 60 hodin ve 2. semestru Předmět je zakončen zápočtem v 1. semestru a zápočtem a zkouškou ve 2. semestru. doc. Ing. Jan LEUCHTER, Ph.D. Tel jan.leuchter@unob.cz Kancelář. KŠ 5A/

2 SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY Předmět se zabývá technickým oborem součástkové základny elektrotechniky. Cílem předmětu je získat přehled o klasifikaci součástek elektroniky, jejich základních fyzikálních a specifických elektrických vlastnostech a parametrech. Přednášky: S-2593/I, II Laboratorní návody: S-2441 Studijní práce: S-26/A LITERATURA 2

3 SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY 1. semestr P.č. Forma Hod Místo Téma výuky 1 P 2 Vlastnosti materiálů v elektromagnetickém poli 2 P 2 Elektrovodné a odporové materiály 3 P 2 Izolanty 4 P 2 Magnetické materiály 5 P 2 Polovodiče 6 P 2 Fyzikální jevy v homogenních polovodičích 7 P 2 Přechod PN a MS 8 P 2 Fyzikální jevy v přechodu PN 9 P 2 Rezistory a kondenzátory 10 P 2 Cívky a piezoelektrické součástky 11 P 2 Chemické zdroje 12 P 2 Polovodičové diody 13 P 2 Fyzikální princip bipolárního tranzistoru 14 P 2 Stejnosměrné charakteristiky bipolárního tranzistoru 15 2 Střídavé charakteristiky bipolárního tranzistoru 3

4 SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY 2. semestr 1 P 2 Unipolární tranzistory 2 P 2 Tyristory 3 P 2 Práce s charakteristikami tranzistoru 4 L 2 KS5A/92 Měření na diodách 5 P 2 Technologické principy výroby integrovaných obvodů 6 P 2 Analogové integrované obvody 7 P 2 Integrované zesilovače a stabilizátory 8 L 2 KS5A/92 Měření stejnosměrných charakteristik bipolárního tranzistoru 9 P 2 Principy číslicových integrovaných obvodů 10 P 2 Číslicové integrované obvody kombinační 11 P 2 Číslicové integrované obvody sekvenční 12 L 2 KS5A/92 Měření na integrovaných zesilovačích a stabilizátorech 13 P 2 Polovodičové paměti a mikroprocesory 14 P 2 Převodníky A/D a D/A 15 P 2 Technologie plošné montáže 16 L 2 KS5A/92 Měření na ČIO obvodech kombinačních 4

5 SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY 17 P 2 Charakteristiky optického záření 18 P 2 Aplikace fyzikálních jevů v součástkách optoelektroniky 19 P 2 Optické zdroje 20 L 2 KS5A/92 Měření na klopných obvodech 21 P 2 Optické modulátory 22 P 2 Optické detektory 23 P 2 Plošné detektory CCD a CMOS 24 L 2 KS5A/92 Měření na čítačích a registrech 25 P 2 Optická vlákna 26 P 2 Optická vlákna v komunikacích a senzorech 27 P 2 Funkční bloky optoelektroniky 28 L 2 KS5A/92 Měření na převodnících A/D a D/A 29 L 2 KS5A/92 Měření na fotodiodách a luminiscenčních diodách 30 L 2 KS5A/92 Závěrečné přezkoušení 5

6 SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY Vývoj součástkové základny (elektroniky) od počátku 20. století lze charakterizovat typickými etapami : 1) Klasická součástková základna (elektronky) do 2 sv. války 2) Miniaturizace součástkové základny (miniaturní elektronky) v průběhu 2 sv. války 3) Subminiaturizace součástkové základny (polovodičové diskrétní součástky) 4) Mikrominiaturizace součástkové základny (přechod k integrovaným obvodům) 6

7 Rozdělení součástek elektroniky A) Diskrétní (realizují základní funkce rezistivitu, zesílení), B) Integrované obvody (realizují složité funkce). B1) analogové B2) číslicové A) Standartní (běžně dostupné v katalogu výrobce) B) Zákaznické (pro specifické požadavky zákazníků) 7

8 Rozdělení součástek elektroniky 1. součástky, označovanéčasto jako PASIVNÍ tj. rezistory, kondenzátory, cívky, transformátory pojistky, přepěťové ochrany, jističe diskrétní polovodičové prvky tj. diody, tranzistory a tyristory. 8

9 SOUČÁSTKY ELEKTRONIKY 2. Součástky mikroelektroniky a optoelektroniky analogové integrované obvody, analogově digitální a digitálně analogové převodníky, číslicové integrované obvody, součástky optoelektroniky (zdroje, detektory, optická vlákna). 9

10 Charakteristiky a parametry diskrétních součástek Stejnosměrné charakteristiky Stejnosměrné vlastnosti diskrétních součástek popisují nejúplněji voltampérové charakteristiky, tj. závislostmi napětí a proudů v součástce, stručné nazývané VA charakteristiky. Podle závislosti napětí a proudu můžeme ss. charakteristiky rozdělit na: lineární, nelineární. 10

11 lineární I nelineární I U U I I U a) U b) 11

12 a dále existují tzv. charakteristiky nelineární parametrická (např. Tr) I 2 I 1 =60µA I 1 =40µA I 1 =20µA U 2 I 2 I 1 U 2 U 1 c) 12

13 Charakteristiky a a parametry diskrétních součástek Stejnosměrné parametry jsou nejčastěji udávány z průběhů VA charakteristik v daném pracovním bodě P. I U Dynamické parametry závislost na frekvenci 13

14 Diferenciální parametry I I t U nelineárních VA charakteristik se často udávají diferenciální parametry, které určují strmost LINEARIZACÍ blízkém okolí zvoleného pracovního bodu P a malých změn napětí a proudů. Typicky se udává tzv. DIFERENCIÁLNÍ ODPOR R d U U t I I P U U 1/R d = di/du I/ U 14

15 Dynamické charakteristiky a parametry Prakticky všechny součástky elektroniky používané ke zpracování a přenosu střídavých veličin (časových průběhů napětí, proudů) mají své charakteristiky a parametry závislé na rychlosti změn aplikovaných napětí a proudů tedy na FREKVENCI. Např. ideální rezistor představuje pouze rezistivitu R nezávislou na frekvenci procházejících střídavých proudů a působících střídavých napětí. Reálný rezistor má vždy i určitou kapacitu C a indukčnost L. 15

16 Dynamické charakteristiky a parametry Výsledkem působení kapacitních a indukčnostních vlastností součástek jsou STŘÍDAVÉ DYNAMICKÉ CHARAKTERISTIKY (nejčastěji závislosti na frekvenci) Podle použité frekvence třídíme na: Nízkofrekvenční (do 300 khz) Vysokofrekvenční (300 khz 300 MHz) Mikrovlnné (300 MHz 300 GHz) Optoelektronické 16

17 Dynamické parametry Dynamické parametry nejčastěji popisujeme následujicím způsobem. náhradním schématem, časovými závislostmi a parametry na nich definovanými, frekvenční charakteristikou a na ní definovanými kmitočty. 17

18 Frekvenční charkteristika Vychází z matematické metody Fourierovy transformace, umožňující rozklad jakéhokoliv časového průběhu na součet harmonických - sinusových signálů určité amplitudy a fáze. Při měření frekvenční charakteristiky určujeme přenos amplitudy a fáze součástkou nebo obvodem. A Ui (ω) U oi (ω i )/U Ii (ω i ) A m 0,707A m c) ω i ω ω 18

19 Závislost parametrů na působení fyzikálních veličin Většina součástek elektroniky (zvláště polovodičových ) má charakteristiky a parametry N závislé kromě napětí a proudů i na dalších fyzikálních veličinách X (především na teplotě) Např. teplotní součinitel rezistivity TKX = [1/ X(ϑ 0 )] dx /dϑ kde je X - sledovaná veličina, ϑ 0 - vztažná teplota (často 25 C), ϑ - teplota. 19

20 Charakteristické a mezní parametry Každá součástka je určena: pro dané provozní podmínky pro daný pracovní režim Charakteristickými parametry (napětí, proudy, frekvence aj.) Pozn. Minimální hodnoty mohou vést k tomu, že součástka neplní svoji funkci, Překročení maximálních mezních hodnot, může vést k nevratným změnám až ke zničení 20

21 Charakteristické a mezní parametry Např. typické jsou mezní hodnoty napětí U max, proudů I max, výkonů P max =P tot, teploty T max a i f max. Zejména ztrátový výkon P se u součástek mění v teplo, přičemž musí nastat rovnovážný stav mezi ohřevem a odvodem tepla do okolního prostředí o dané provozní teplotě okolí T a závislý na rozdílu SPÁDU TEPLOT T max -T a charakterizovaném tepelnýn odporem R th P max =(T max -T a )/R th Pozn. při překročení mezních hodnot parametrů výrazně klesá provozní spolehlivost součástek. 21

22 Spolehlivost součástek elektroniky Spolehlivost součástek je definována jako vlastnost zabezpečující správné plnění jejich funkční činnosti. Spolehlivost závisí na: Technologii výroby, Konstrukční úpravě, A provozních podmínkách. K hodnocení se zavádí tzv. INTEZITA PORUCH, STŘEDNÍ DOBA BEZPORUCHOVÉČINNOSTI, PRAVDĚPODOBNOST BEZPORUCHOVÉČINNOSTI a další. 22

23 INTEZITA PORUCH Intenzita poruch λ (t), nejčastěji (%/1000h) n( t) λ( t) = N( t) t Z výroby se vyčlení statisticky vyhodnotitelný soubor posuzovaných součástek N(t) (např kusů) nastaví se do provozního režimu po dobu t (např h). Po uplynutí t je n(t) (např. 10 kusů) součástek vydných nebo mají zhoršené parametry. Pak λ (t)=10/1000 za 1000h= 0.01= 1% / 1000h 23

24 Časový průběh intenzity poruch obsahuje následující oblasti: oblast A oblast častých poruch, relativně krátký úsek v němž příčina poruch je obvykle ve výrobním procesu, oblast B oblast náhodných poruch, kdy se poruchy vyskytují bez zjevné příčiny, oblast C oblast poruch dožitím, kdy poruchy vznikají stárnutím. λ(t) A B C t 24

25 Cesta k dosahování vysoké spolehlivosti elektronických zařízení spočívá ve výběru nejlepších součástek, často zvlášť konstruovaných pro dosažení vysoké spolehlivosti a vhodné konstrukci zařízení, zaručující správné využití součástek. Jednotlivé součástky i zařízení musí projít po určitou dobu zkušebním provozem, aby se vyloučily závady, ovlivňující vysokou poruchovost v v počátečním období provozu. Dosahované vysoké hodnoty spolehlivosti vedou k nárostům výrobních nákladů. 25