Read Microsoft Word - Elektroonika komponendid.doc text version

TTÜ KURESSAARE KOLLEDZ

Argo Kasemaa

Elektroonika komponendid

Loengukonspekt

Kuressaare 2003

1

Saateks

Käesolev õppematerjal on koostatud Euroopa Liidu Leonardo da Vinci programmi toetusel, projekti CURENGCOL raames. Elektroonika komponentide loengukonspekti koostamisel on silmas peetud TTÜ Kuressaare Kolledzi rakenduskõrgharidusliku elektroonika eriala samanimelise loengukursuse vajadusi, kuid raamatut võivad kasutada kõik asjast huvitatud inimesed. Raamat peaks looma aluse kirevas elektroonika komponentide maailmas orienteerumiseks ja võib nii mõnelegi anda tõuke pikemaks teekonnaks elektroonika suurtesse avarustesse. Loengukonspekti koostamisel on infot kogutud komponente tootvate firmade ja komponentide edasimüüjate kodulehtedelt. Raamatu koostamisel on juhindutud raamatutest: 1. L. Abo, Elektroonika komponendid. Tallinn, 1997. 2. R. Võrk, V. Mägi, Elektrotehnika. Tallinn: Valgus, 1989. 3. H. Pedusaar, Elektro- ja raadiotehnika algajaile. Tallinn: Eesti Riiklik Kirjastus, 1963. 4. L. Abo, Raadiolülitused. Tallinn: Valgus, 1990. 5. R. L. Boylestad, L. Nashelsky, Electronic Devices and Circuit Theory, eighth edition. Prentice Hall, 2002.

A. Kasemaa TTÜ elektroonika instituudi magistrant

Kaane kujundanud Ann Gornischeff © Argo Kasemaa, 2003 ISBN 9985-59-345-6

2

Sisukord

1. ELEKTRIST................................................................................................... 5

Aine ja väli ...............................................................................................................5 Pinge.........................................................................................................................5 Vool..........................................................................................................................6 Energiaallikad ..........................................................................................................7 Elektriahel ................................................................................................................8 Ohmi seadus .............................................................................................................8

2. PASSIIVELEMENDID.................................................................................. 9

Takistid.................................................................................................................. 9 Liigitamine pinge-voolu tunnusjoone järgi................................................................10 Liigitamine funktsionaalsuse järgi .............................................................................10 Püsitakistid .................................................................................................................10 Masstakistid ...........................................................................................................11 Kihttakistid.............................................................................................................11 Traattakistid ...........................................................................................................12 Püsitakistite korpused ............................................................................................13 Muuttakistid ...............................................................................................................15 Reguleertakistid .....................................................................................................15 Seadetakistid ..........................................................................................................16 Mittelineaartakistid ­ termotakistid ...........................................................................17 Takistite tunnussuurused............................................................................................19 Takistite tähistamine ..................................................................................................22 Tüübitähised...............................................................................................................23 Kondensaatorid ................................................................................................... 24 Liigitamine funktsionaalsuse järgi .............................................................................25 Püsikondensaatorid ....................................................................................................25 Kilekondensaatorid ................................................................................................25 Keraamikakondensaatorid......................................................................................26 Elektrolüütkondensaatorid .....................................................................................28 Muutkondensaatorid...................................................................................................30 Seadekondensaatorid..............................................................................................30 Häälestuskondensaatorid........................................................................................30 Tunnussuurused .........................................................................................................30 Kondensaatorite tähistamine ......................................................................................32 Tüübitähised...............................................................................................................32 Induktiivelemendid .............................................................................................. 33 Tingmärgid skeemides ...........................................................................................33 Ehitus ja liigitus .........................................................................................................33

3

Tunnussuurused .........................................................................................................34 Magnetmaterjalid .......................................................................................................35 Poolide arvutamine ....................................................................................................35 Sirge ümarjuhe .......................................................................................................35 Ühekihiline pool.....................................................................................................35 Mitmekihiline pool.................................................................................................36 Resonaatorid ja filtrid.................................................................................................36 Kvartsresonaator ....................................................................................................36 Piesokeraamiline filter ...........................................................................................37 Transformaatorid........................................................................................................37 Pistmikud ............................................................................................................ 38 Madalpinge toitepistikud........................................................................................39 Audiopistikud.........................................................................................................40 Videopistikud .........................................................................................................42 Kõrgsageduspistikud ..............................................................................................43 Lintkaablipistikud ..................................................................................................44 Arvutipistikud ........................................................................................................45 Releed................................................................................................................. 46 Elektromehaaniline relee........................................................................................46 Termorelee .............................................................................................................47

3. POOLJUHTSEADISED............................................................................... 48

Pooljuhtmaterjalid ..................................................................................................48 Dioodid................................................................................................................ 48 Alaldusdioodid .......................................................................................................50 Stabilitronid............................................................................................................53 Mahtuvusdioodid ...................................................................................................54 Valgusdioodid ........................................................................................................54 Fotodioodid ............................................................................................................55 Dioodide tähistamine .................................................................................................57 Transistorid ......................................................................................................... 58 Bipolaartransistor ...................................................................................................58 Väljatransistor ........................................................................................................62 Transistoride tähistamine ...........................................................................................66 Transistoride korpused...............................................................................................66 Optronid .............................................................................................................. 68 Türistorid ............................................................................................................. 69

4

Elektroonika on teaduse ja tehnika (eeskätt füüsika ja elektrotehnika) haru, mis uurib ja rakendab vaakumis, tahkistes ja teistes keskkondades ning nende piiril liikuvate laengute ja nende laengutega seoses olevaid nähtusi. Elektronide liikumise juhitavus elektri- ja magnetväljade abil on elektroonika füüsikaliseks aluseks.

1. ELEKTRIST

Aine ja väli

Aine on mateeria vorm, mida iseloomustab nullist erinev seisumass ja suhteline kiirus, mis on väiksem valguse kiirusest. Ainel on diskreetne iseloom. Aine on koondunud osakesteks ja osakesed on koondunud süsteemideks (aatom). Aine osakesed on elektron, neutron ja prooton. Elektron identifitseeriti 1897. aastal (J.J. Thomson). Elektroni raadius re = 2,82·10-15m ja laeng qe = 1,60·10-19C. Väli on mateeria vorm, mida iseloomustab pidevus. Väljal puudub mass ja ta levib valguse kiirusega. Mis tahes välja kirjeldab ruumi ja aja funktsioon. Välja muutumist ajas ja ruumis kirjeldavad väljavõrrandid (J.C. Maxwell ­ elektromagnetvälja teooria).

Aine mo = 0 v < c Väli mo = 0 v=c

Pinge

On teada, et aine aatomid koosnevad negatiivse laenguga elektronidest ja positiivse laenguga tuumast. Tavaliselt tiirleb ühe tuuma ümber just nii palju elektrone, kui on vaja tuuma positiivse laengu tasakaalustamiseks. Aatomil tervikuna laeng puudub. Kui kehalt elektrone ära tõmmata, siis osutub keha positiivselt laetuks ja kui kehale elektrone lisada, siis negatiivselt laetuks. Kõige lihtsam viis kehale laengut anda on teda mõne teise kehaga hõõruda. Näiteks klaaspulga elektriseerimiseks hõõrutakse teda villase lapiga. Laenguga kehal on mingi suurusega potentsiaal. Kui tegu on kahe erinevalt laetud kehaga, siis saab rääkida potentsiaalide vahest. Potentsiaalide vahet kahe punkti vahel nimetatakse elektriliseks pingeks. Pinget tähistatakse valemites tähtedega U või V ja mõõdetakse voltides (V). Pinget mõõdetakse alati kahe punkti vahel. Voldi kõrval kasutatakse ka sellest tuletatud suuremaid ja väiksemaid ühikuid ­ kilovolte (kV), millivolte (mV) ja mikrovolte (µV). Need ühikud on omavahel seotud 1 kV = 1000 V = 1 000 000 mV 1 V = 1000 mV = 0,001 kV 1 mV = 0,001 V = 1000 µV 1 µV = 0,000 001 V = 0,001 mV

5

Kui kehal puudub elektrilaeng, siis on tal nullpotentsiaal. Kõigil maaga elektriliselt ühendatud (maandatud) kehadel on nullpotentsiaal. Maandatud keha suhtes võib teistel kehadel olla mitmesuguse suurusega positiivne või negatiivne potentsiaalide vahe ehk pinge. Vaatame süsteemi kolmest omavahel isoleeritud metallkehast A, B ja C (joonis 1.1), kus B on maandatud, A-l on elektronide küllus (negatiivne elektrilaeng) ning C-l elektronide puudujääk (positiivne laeng). Kehade A, B ja C vahel valitsevad pinged U1, U2 ja U3. Kuna A on negatiivselt laetud, siis on ka U1 negatiivne; kuna C on positiivselt laetud, siis on U2 positiivne. Kummagi keha pinge määramisel on aluseks võetud maandatud keha B nulliga võrduv potentsiaal. Kui määrata tuleb keha A pinget vahetult C suhtes, siis osutub U3 negatiivseks, kui C pinget A suhtes, siis positiivseks. See näitab, et pinge positiivsus või negatiivsus on suhteline ning oleneb sellest, kas seda mõõdetakse madalama (negatiivsema) või kõrgema (positiivsema) potentsiaaliga keha suhtes.

A

U3

C U2

U1 B

Joonis 1.1. Laetud kehade vahelised potentsiaalide vahed ehk pinged

Vool

Oletagem, et ruumis paikneb kaks erineva potentsiaaliga keha. Kui kahe keha vahele tekitada keskkond, kus laengud (elektronid) saaksid vabalt liikuda, siis kehade potentsiaalid mõne aja pärast võrdsustuvad. Kuid hetkel, mil toimus ühendus, hakkasid elektronid ühelt kehalt teisele liikuma. Just sellist elektronide suunatud liikumist mingis keskkonnas (metalljuhe, elektrolüüt jne) nimetatakse elektrivooluks. Voolu tähistatakse valemites tähega I ja mõõdetakse amprites (A). Juhet läbiv vool on mõõdetav juhtme mingit ristlõiget läbiva elektrihulgaga sekundis näiteks üksikute elektronide loendamise teel (elektrivool on diskreetne suurus). Elektrihulka mõõdetakse kulonites. Kui sekundis voolab läbi juhtme ristlõike 1 kuloni suurune laeng (6,3 1018 elektroni), siis on voolutugevus juhtmes 1 amper. Ampri kõrval kasutatakse ka sellest tuletatud suuremaid ja väiksemaid ühikuid ­ kiloamprit (kA), milliamprit (mA) ja mikroamprit (µA). Need ühikud on omavahel seotud 1 kA = 1000 A = 1 000 000 mA 1 A = 1000 mA = 0,001 kA 1 mA = 0,001 A = 1000 µA 1 µA = 0,000 001 A = 0,001 mA Mõnikord osutub vajalikuks kasutada voolutiheduse mõistet. Voolutihedus näitab, kui tugeva vooluga on juhtme materjal koormatud, s.o mitu amprit voolab juhtmes selle ristlõike iga ruutmillimeetri kohta. Voolutiheduse tähis valemites on j ning ühik on amper ruutmillimeetri kohta (A/mm2).

6

Energiaallikad

Eksisteerivad kahte tüüpi allikad ­ pingeallikad ja vooluallikad. Pingeallikas on kaksklemm, mille kontaktide vahel on lühis ja kontaktide otste vahel muutumatu potentsiaalide vahe (pinge) (joonis 1.2 a). Ühendades sellise allika tarbijaga, jääb tarbija otsklemmidel pinge muutumatuks ja tarbijat läbiv vool sõltub tarbija omadustest. Muutes tarbija takistust, muutub ainult tarbijat läbiv vool, kuid pinge tarbija klemmidel jääb konstantseks. Vooluallika puhul on tegemist kaksklemmiga, mille kontaktide vahel on tühis, seega kontaktide vahel ideaaljuhul ühendus puudub (joonis 1.2 b). Ühendades vooluallika tarbijaga kinnisesse kontuuri, jääb läbi tarbija voolama muutumatu vool, mille suurus sõltub allika füüsikalistest omadustest. Kui muuta tarbija takistust, jääb vool konstantseks. Sellises kontuuris muutub ainult tarbija klemmide vaheline pinge. Pinge suuruse määrab ära Ohmi seadus, mis kehtib ka pingeallika korral.

Rsise = 0

I

Rsise =

U

a b Joonis 1.2. Pingeallikas a, vooluallikas b

Reaalses maailmas allikaid sellisel kujul ei eksisteeri. Näiteks saab hoones oleva 220 V seinakontakti liigitada pingeallikaks. Sellise pingeallika sisetakistus ei ole null. Sisetakistuse suurus sõltub elektrialajaamas asuva transformaatori sekundaarmähise ja alajaama ning hoone vaheliste ühendusjuhtmete takistusest, millele lisaks tuleb arvestada induktiivseid ja mahtuvuslikke komponente (joonis 1.3).

Ülekandeliin Alajaam

Rsise

Lliin

Rliin Cliin

Kaitse 10A

U ~220V Rtarbija

Vahelduvvoolu pingeallikas

Lsise

Majapidamine

Joonis 1.3. Reaalne pingeallikas

7

Ideaalsel juhul, kui pingeallika sisetakistus on null, kandub kogu võimsus pingeallikalt tarbijasse. Vool teeb tööd ainult tarbijas. Mida rohkem läheneb allika sisetakistus koormuse (tarbija) takistusele, seda rohkem võimsust hajub ülekandeliinides ja transformaatoris. Näiteks kui tarbija takistus võrdub seinakontakti sisetakistusega, siis kulub pool võimsusest lihtsalt alajaama ja ülekandeliinide soojendamiseks, kuigi energiaülekanne on maksimaalne ehk allikas ja koormus on omavahel sobitatud. Seda viimast tuleb arvestada kõrgsagedustehnikas, sobitades omavahel antenni ja koaksiaalkaablit. Seega peab pingeallika sisetakistus, juhul kui kasutada pingeallikat seadmete toiteallikana, olema palju väiksem tarbija takistusest.

Elektriahel

Elektriahel on kõigi elektri- ja elektroonikaseadmete eksisteerimise alus. Elektriahelana mõistetakse kinnist kontuuri, mis sisaldab energiaallikat ja tarbija(id)t (joonis 1.4). Sellises kontuuris voolab vool energiaallika ühelt klemmilt läbi koormus(t)e teisele klemmile. Püsiv elektrivool tekib juhtmes, kui vooluring on suletud. Elektronidel peab olema võimalus liikuda elektromotoorjõuallika negatiivselt pooluselt ühendusjuhtmete ja tarbija kaudu positiivsele poolusele. Elektromotoorjõuallikas pumpab elektrone enesest läbi positiivselt pooluselt negatiivsele, kust nad jällegi alustavad uut ringkäiku. On kokku lepitud, et voolu suund alalisvooluallikaga elektriahelas on positiivselt klemmilt negatiivse klemmi suunas. Vahelduvvooluallika puhul muutub vooluallika klemmide polaarsus vastavalt allika sagedusele. Eesti vahelduvvooluvõrgus voolab vool 50 korda sekundis ühes suunas ja 50 korda teises suunas.

U I

Joonis 1.4. Lihtsaim elektriahel

Rt

Ohmi seadus

Kui vaadata elektriahelat, milles elektromotoorjõu tekitab pingeallikas pingega U ja tarbijaks on hõõglamp, voolab kontuuris vool I. Kui ühendada selle lambiga paralleelselt veel teine samasugune lamp, saab ahelat läbivat voolu mõõtes, et vool I on suurenenud kaks korda. Seega on voolu muutus konstantse pinge korral proportsionaalne ahelas olevate tarbijate takistuse R muutusega. Antud juhul vähenes elektriahela takistus R kaks korda ja samas suurenes kaks korda vool I. Seega saab sõnastada Ohmi seaduse: vool I on võrdeline pingega U ja pöördvõrdeline takistusega R. Selle seaduse matemaatiline kuju on järgmine:

I=

U U U = IR R = R I

Tuleb arvestada, et vool I, pinge U ja takistus R on selles valemis põhiühikutes ­ amprites (A), voltides (V) ja oomides (). Eksisteerib veel takistuse pöördväärtus ehk juhtivus G, mida mõõdetakse siimensites (S). Ohmi seadus on universaalne, ta kehtib alati ja kõikjal nii kogu elektriahela kui ka ahela erinevate osade kohta.

8

Komponent ­ elektroonikaseadme (aparaadi) terviklik üksikosa. Komponentide liigitus

1. Ehituse järgi: · diskreetkomponent · integraalkomponent 2. Ülekande omaduste järgi: · lineaarsed komponendid · mittelineaarsed komponendid 3. Võimendusomaduste järgi: · passiivsed komponendid · aktiivsed komponendid 4. Rakendusala järgi: · nõrkvoolu komponendid · jõuelektroonika komponendid · madalsageduskomponendid · kõrgsageduskomponendid jne

2. PASSIIVELEMENDID

Takistid

Mis on takistus? Nimetusest järeldub, et voolu juhtiv aine tõkestab vabade laengukandjate liikumist. Esmalt sõltub aine takistus vabade laengukandjate hulgast aines. Kui aines on palju laengukandjaid, nimetatakse neid aineid elektrijuhtideks ehk elektrikuteks. Kui aines on vähe vabu laengukandjaid, siis pooljuhtideks ja kui aines on väga vähe laengukandjaid, siis dielektrikuteks. Nagu viimasest väitest selgub, ei ole looduses olemas absoluutselt elektrit mittejuhtivat ainet. Kõik ained juhivad mingil määral elektrit, isegi selline hea dielektrik nagu õhk. Välku tunnevad kõik. Elektrivoolu tekitab vabade laengukandjate suunatud liikumine vooluringis. Elektronide liikumisel mööda ainet toimub hõõrdumine vastu aine aatomeid ja molekule. Sellise hõõrdumise käigus laengukandjad pidurduvad ja vooluhulk väheneb. Põrgete tagajärjel vabaneb energia soojuse näol. Kirjeldatud takistavat mõju, mida iga elektrijuht avaldab temas kulgevale püsiva tugevusega ja suunaga voolule, nimetatakse takistuseks ja tähistatakse tähega R või r. Elektriga seotud süsteemides vajatakse tihti voolu piiravaid elemente, mida nimetatakse takistiteks. Takistite poolt avaldatav mõju on takistus, mille suurust mõõdetakse oomides, kilooomides, megaoomides, gigaoomides jne. Kasutamine. Takisteid kasutatakse peamiselt voolu piiramiseks, pinge jagamiseks ning mõningail juhtudel isegi soojuse genereerimiseks. Peamine kasutusala on siiski elektrienergia ümberjagamine ja reguleerimine.

Tingmärgid skeemides

Püsitakistid Muuttakistid

9

Liigitamine pinge-voolu tunnusjoone järgi

Eristatakse lineaar- ja mittelineaartakisteid. Lineaartakistit läbiv vool on võrdeline pingega (joonis 2.1). Lineaartakistid on levinud elemendid ja neid kutsutakse tavaliselt lihtsalt takistiteks.

I

U

Joonis 2.1. Lineaartakisti VA tunnusjoon Mittelineaartakistite takistus sõltub välismõjuritest: pingest (varistorid), (termotakistid), valgusest (fototakistid). Joonisel 2.2 on varistori VA tunnusjoon. temperatuurist

I

U

Joonis 2.2. Varistori VA tunnusjoon

Liigitamine funktsionaalsuse järgi

Funktsionaalsuse järgi liigitatakse takisteid püsitakistiteks, millel on kindla väärtusega takistus, mis oleneb väga vähesel määral temperatuurist, ja muuttakistiteks, mille takistust on võimalik sujuvalt muuta.

Püsitakistid

Püsitakistid jagunevad ehituse järgi kolme rühma ­ masstakistid, kihttakistid ja traattakistid.

10

Masstakistid

Takistusmaterjaliks kasutatakse süsinikku. Takistuselement koosneb sideainest (dielektrik), mille sisse on segatud söepuru (joonis 2.3). Takistus sõltub söeterade kontsentratsioonist sideaines. Vool saab voolata otse ühelt teralt teisele, kui kaks söetera puutuvad kokku. Kui kahe tera vahel on sideaine tekib voolujuhtivus tänu tunnelläbilöögi efektile.

Takistuselement ­ söeteradest ja sideainest pressitud silinder

Korpuse ja takistuselemendi sisse sängitatud väljaviigud

Valatud korpus, isolatsioon

Joonis 2.3. Masstakisti ehitus Eelised: · hea töökindlus · head mehhaanilised omadused · maksavad vähe. Puudused: · suhteliselt madal stabiilsus ajas. Takistust mõjutavateks teguriteks on keskkonna parameetrid ­ temperatuur, niiskus jne · suur omamüra. Ei sobi väga väikseid pingeid võimendavatesse võimenditesse · liialt suur sõltuvus pingest (töötamine tunnelefektil) 200...500 ppm/V · ei sobi kasutamiseks kõrgetel sagedustel, suur sisemahtuvus 0,2...2 pF.

Kihttakistid

Kihttakistitel on isoleermaterjalist (keraamika) silindriline või risttahukakujuline südamik, mis on kaetud õhukese takistusmaterjali kihiga. Takistusmaterjalidena kasutatakse metalli (nt nikkel) või metallisulameid (nikli ja kroomi sulam), metalloksiide (nt tinaoksiid), grafiiti ja metallkeraamikat (kermet). Väiksema takistusega takistitel katab kile ühtlaselt kogu südamiku pinna, kõrge takistusega takistitel on enamasti keermekujuline takistuskiht. Kihttakisti ehitust näeb joonisel 2.4. Takistuskile paksuse järgi eristatakse õhukese- ja paksukilelisi takisteid.

11

Juhtiv metallotsik Süsinik-, metallvõi metalloksiidkile

Keraamiline või klaasist südamik Väljaviik kapsliga

Spiraalikujuline takistuskile

Isoleermaterjalist korpus

Joonis 2.4. Kiht-püsitakisti ehitus

Eelised: · hea töökindlus · suhteliselt hea stabiilsus ajas · töötemperatuur kõrgem kui masstakistitel · madal müratase (kõrgem süsinik- ja madalam metallkihttakistil) · sobivad kasutamiseks kõrgetel sagedustel, parasiitmahtuvus ja -induktiivsus suhteliselt väikesed eriti pindmontaazi takistite puhul · küllalt täpsed · masstakistitest tunduvalt väiksem takistuse sõltuvus pingest, alla 100 ppm/V. Puudused Olulisi puudusi ei ole, kõige enam kasutatavad takistid väikese voolutarbega süsteemides.

Traattakistid

Neil on tavaliselt silindriline isoleermaterjalist südamik, millele on keritud takistustraat. Takistustraat kaetakse glasuuriga, mis tagab hea kuumakindluse. Traattakisti ehitust kirjeldab joonis 2.5. Traattakistid on tavaliselt madalaoomilised ja väga täpsed. Neid kasutatakse suure voolutarbega süsteemides, kus takistil hajuv võimsus on suurem kui 2 W.

12

Keraamilisele alusele keritud takistustraat

Kapsli külge keevitatud takistustraat

Kapsli külge keevitatud väljaviigud

Valatud korpus

Joonis 2.5. Traattakisti ehitus Eelised: · väga hea töökindlus · hea stabiilsus ajas · takistus on väga täpne · töötemperatuur kõrgem kui kihttakistitel · kihttakistitest kõrgem tööpinge · saavutatav on suur hajuvõimsus. Puudused: · suur omamahtuvus ja induktiivsus, kasutatavad ainult madalatel sagedustel · suured mõõtmed ja mass.

Püsitakistite korpused

Tänapäeva tööstuses kohtab läbi-augu-montaazi ja pindmontaazi komponente. Praegu on levinud ilma pikkade traadist kontaktväljaviikudeta pindmontaazi komponendid, kuid ajaloolised läbi-augumontaazi komponendid leiavad senini kasutust. Joonisel 2.6 on tüüpilisi väikese hajuvõimsusega läbiaugu-montaazi takisteid korpuse suuruse tähisega 0207. Korpusele 0207 vastab harilikult ¼ W hajuvõimsusega takisti, 0411-le ½ W takisti. Sellises korpuses olevate elementide puhul tuleb jälgida, et väljaviiku ei painutataks liiga korpuse lähedalt. Väljaviigu painderaadius peab olema vähemalt 1,5 korda suurem viigu läbimõõdust.

13

a

b

Joonis 2.6. Väikese hajuvõimsusega takistid, masstakisti a ja kihttakisti b Suure hajuvõimsusega takistite korpuste valik on lai. Paarikümnevatise hajuvõimsusega metallkihttakisti võimalikku korpust näeb joonisel 2.7. Korpus on kohandatud takisti jahutusradiaatorile kinnitamiseks.

Joonis 2.7. Suure hajuvõimsusega metallkihttakisti

Traattakistid võivad olla hajuvõimsusega mitusada vatti. Selliste takistite korpused on varustatud jahutusradiaatoriga (joonis 2.8).

Joonis 2.8. Suure hajuvõimsusega traattakistid Pindmontaazi komponentide puhul saab rääkida ainult väikese hajuvõimsusega takistitest. Väikseima takisti suurim hajuvõimsus on 0,01 W piires ja suurimate takistite hajuvõimsused ulatuvad mõne vatini. Enam levinud korpused on 0805 (1/8 W) ja 1206 (1/4 W) (joonis 2.9). Ehituselt on pindmontaazitakistid üldjuhul kihttakistid.

14

a Joonis 2.9. Pindmontaazitakisti, silindri- a ja risttahukakujuline b 0805 korpus

b

Kohtades, kus on vaja kõrvuti rakendada palju ühesuguse takistusega takisteid, kasutatakse ruumi ja aja kokkuhoiu mõttes takistimaatrikseid (joonis 2.10). Taolises maatriksis võib olla kuni 15 takistit, kasutatakse nii SIL - kui DIL - korpust.

Joonis 2.10. Takistimaatriksi SIL - korpus

Muuttakistid

Muuttakistid jagunevad otstarbelt reguleertakisteiks ehk potentsiomeetriteks ja seadetakisteiks. Muuttakistitel on isoleeralusele kantud takistusmaterjali kiht, mille peal liigub metallist kontakt ­ liugur. Takistuskiht koosneb enamasti grafiidi ja laki segust (sarnasus masstakistiga) või metalloksiidist (sarnasus kihttakistiga). Kulumiskindlamad on metalloksiidil baseeruvad muuttakistid, eriti kulumiskindlad on kermetist (metallkeraamiline materjal) takistuskihiga muuttakistid.

Reguleertakistid

Reguleertakistid võimaldavad lõppkasutajal muuta seadme parameetreid, näiteks reguleerida heli valjust. Reguleertakistid jagunevad liuguri liikumise järgi pöördtakistiteks, mille liugurit pööratakse takistuselemendi kohal mööda ringjoont, ja lükandtakistiteks, mille liugurit nihutatakse takistuselemendi kohal sirgjooneliselt. Tavaliselt on reguleertakisteil kolm väljaviiku, kuid toodetakse ka nelja või enama kontaktiga potentsiomeetreid. Sellisel juhul on ikkagi üks liugurkontakt ja kaks otsmist kontakti, mille vahel asub takistuskile, kuid takistuskilest on võetud püsiv(ad) väljavii(gud)k. Selliseid reguleertakisteid nimetatakse sageduskompenseeritud potentsiomeetriteks ja kasutatakse helivaljuse reguleerimiseks. Joonisel 2.11 on tavaline kolme kontaktiga potentsiomeeter. Reguleertakisteil võib olla rohkem kui kolm väljaviiku ka muudel põhjustel. Toodetakse potentsiomeetreid, kus mitme potentsiomeetri liugurkontaktid on kinnitatud ühisele rootorile (võllile) ning asetsevad samas korpuses. Selline potentsiomeeter on vajalik stereosignaali võrdseks reguleerimiseks mõlemas kanalis.

15

Joonis 2.11. Potentsiomeetrid

Seadetakistid

Seadetakisteid kasutatakse üldiselt seadmete alghäälestamiseks ja nende reguleerimine ei ole lõppkasutajale kättesaadav. Ehitus on neil põhimõtteliselt sama mis reguleertakistitel, kuid rootorist pööramise asemel tuleb neid reguleerida kruvikeerajaga (joonis 2.12).

Joonis 2.12. Seadetakistid

16

Muuttakistite valimisel tuleb arvestada, et muutmist vajav parameeter ei pruugi lineaarselt muutuda. Võetagu näiteks helitugevuse reguleerimine. Esmalt asetatakse helitugevust reguleeriv muuttakisti ühte piirasendisse, kus helivaljus on suurim, ja jäetakse helitugevus kuulmise põhjal meelde. Seejärel keeratakse muuttakisti keskmisesse asendisse, kus helivaljus peaks olema poole nõrgem. Juhul kui muuttakisti takistus muutub lineaarselt ­ keskmises asendis on liugurkontakti ja mõlema servmise kontakti vaheline takistus võrdne, siis ei kosta heli poole nõrgemana, heli on vaid veidi nõrgenenud. Miks see nii on? Lihtsalt inimese kõrv ei ole lineaarne. Kõrv on lineaarsele lähedane vaiksete helide korral, kuid mida tugevamaks muutub heli, seda rohkem hakkab kõrv heli piirama. Seepärast vajatakse võimendite helitugevuse reguleerimiseks eksponentsiaalse tunnusjoonega muuttakistit, et kompenseerida inimese kõrva mittelineaarsust (heli reguleerimine oleks siis lineaarne nii silmale kui kõrvale). Toodetakse logaritmilise, lineaarse ja eksponentsiaalse reguleertunnusjoonega muuttakisteid. Reguleertunnusjoon näitab liugurviigu ja takistuskeha algusviigu vahelise takistuse sõltuvust liuguri pöördenurgast või lükandtakisti puhul liugurviigu ja algusviigu vahelisest kaugusest. Erinevad tunnusjooned on joonisel 2.13. Rl/Rn

100

%

80 60 40 20 0 0 20 lineaarne 40 logaritmiline 60 80 eksponentsiaalne

l/n

100

Joonis 2.13. Muuttakisti reguleertunnusjooned. Liuguri ja algusviigu vahelise takistuse Rl ning kogutakistuse Rn suhte sõltuvus liuguri asendist

Mittelineaartakistid ­ termotakistid

Termotakisti ehk termistori puhul on tegemist elemendiga, mille takistus sõltub tugevalt ja mittelineaarselt temperatuurist. Termistori temperatuuritegur võib olla nii positiivne (PTC) kui negatiivne (NTC). Positiivse temperatuuriteguri puhul takistus temperatuuri kasvades suureneb ja negatiivse temperatuuriteguri puhul väheneb. Negatiivse temperatuuriteguriga termotakistid on üldiselt laialdasemalt kasutusel (joonis 2.14).

17

R

to

Joonis 2.14. Termotakisti (NTC) takistuse temperatuurisõltuvus Ehituselt on termotakistid masstakistid, mille soojustundlik osa on valmistatud Ni, Mn, Co, Cu oksiidide ja sideaine segust. Termotakistite korpused on ketta-, varda-, plaadi- või kerakujulised. Vaatleme pingelangu muutumist koormustakistusega RL jadamisi ühendatud termistoril RT (NTC) sõltuvalt ahelat läbivast voolust (joonis 2.15). Ahelat läbiva väikese voolu korral on sõltuvus lineaarne (lõik OA). Tugevneva voolu juures hakkab termistor soojenema ja tema takistus väheneb. Seetõttu pinge tõus termistoril aeglustub ja teatud punktist B alates hakkab pingelang vähenema.

+E RL IT RT UT

UT B A C

0

Joonis 2.15. Termistori voolu-pinge tunnusjoon

IT

Termistori kasutamisel temperatuurisensorina tuleb jälgida, et termistori läbiv vool ei oleks väga suur (voolu suurus peaks jääma lõigu OA piiridesse), sest see soojendaks termistori ja tekiks oluline mõõtmisviga. Samas kasutatakse termistore laialdaselt temperatuurkompensatsiooni lülitustes. Sellisel juhul on termistori läbiv vool küllalt suur ja temal hajuv võimsus läheneb suurimale hajuvõimsusele (lõik BC). Termotakistite puhul tuleb jälgida järgmisi parameetreid. Nimitakistus. Kui termistori korpusele on kantud takistuse väärtus, siis on see tavaliselt antud temperatuuril 20 °C või 25 °C. Termistori spetsifikatsioonis antakse tegur B. Selle järgi saab arvutada termistori takistust mingil vajalikul temperatuuril. Termistori takistus avaldub üldjuhul valemist

RT = A e

B

T

kus A ja B on materjali omadustest sõltuvad konstandid, T on temperatuur K. Soojuslik ajakonstant määrab aja, mille jooksul 0 ºC õhus hoitud termistor asetatuna 100 ºC keskkonda soojeneb 63 kraadi võrra. Olenevalt termistori mõõtmetest ja massist võib see kesta mõnest sekundi kümnendikust mitme minutini.

18

Takistite tunnussuurused

· Nimitakistus. Nimitakistused on standarditud ja sõltuvad takistite tolerantsist. Nimitakistused vastavad püsitakistite puhul normridadele E6, E12, E24, E48, E96 ja E192 ning muuttakistitel reale E6, E12. Normväärtused on tabelites 2.1 ja 2.2. Takistushälbed ehk tolerants. Takistushälve (R) näitab, mitu protsenti võib takisti tegelik takistus erineda talle kantud nimiväärtusest üles- või allapoole. Takistid jagunevad üldotstarbelisteks, täppistakistiteks ja ülitäppistakistiteks. Üldotstarbeliste püsitakistite tolerants on ±20%, ±10% või ±5%, täppistakistitel ±2% või ±1% ja ülitäppistakistitel väiksem kui ±0,5%. Muuttakistite tolerants on tavaliselt ±20% või ±10%. Igale tolerantsile vastab oma nominaalväärtuste rida: E6 20%; E12 10%; E24 5%; E48 2%; E96 1%; E192 0,5% Kui vaadata tabeleid 2.1 ja 2.2, siis näeb, et paljude ridade takistite väärtused ühtivad. Seega ei saa alati takistile kantud väärtuse järgi määrata tema tolerantsi. Kui väärtus on takistile kantud värvkoodis, siis sisaldab markeering infot tolerantsi kohta. Nimivõimsus on suurim võimsus, millele vastavat soojust on takisti võimeline kestvalt hajutama maksimaalsel lubatud ümbrustemperatuuril, ilma et takisti lubamatult üle kuumeneks. Takistite nimivõimsused on samuti normeeritud. Toodetakse 0,05; 0,062; 0,1; 0,125; 0,25; 0,33; 0,4; 0,5; 0,6; 0,75; 1 jne vatise (W) nimivõimsusega takisteid. Takistil hajuvat võimsust saab leida lihtsast valemist

·

·

P =U I =

·

U2 = I2 R R

kus U on takisti kontaktide vaheline pinge ja I seda takistit läbiv vool. R on takisti takistus. Suurim tööpinge on kõrgeim pinge, mida takisti on võimeline kestvalt taluma, ilma et tekiks läbilöök. Lubatav pinge kasvab koos nimivõimsusega. Kihttakistitel jääb suurim tööpinge vahemikku 100...1000 V, traattakistitel 150...1400 V. Kõrgeim lubatav temperatuur. See temperatuuri väärtus näitab suurimat takisti pinnatemperatuuri, millest edasi takisti läheb rikki. Kihttakistite puhul on see 125 °C piires. Takistite spetsifikatsioonis antakse ka suurim lubatud ümbrustemperatuur, tavaliselt jääb see 40...85 °C vahele. Sellel temperatuuril on nimivõimsus veel saavutatav, maksimaalsel temperatuuril on lubatav hajuvõimsus null. Takistuse temperatuuritegur näitab takistuse suhtelist muutust temperatuuri muutumisel 1 K võrra. Tegur võib olla nii negatiivne kui positiivne, näidates, kas temperatuuri kasvades takistus väheneb või suureneb. Temperatuuritegur R = R 1K . Kihttakistitel tavaliselt R = ±(50 - 1000) 10 -6 / K , traattakistitel R = ±(10 - 500) 10 -6 / K . Müratase. Takisti kontaktidel tekib väike mürapinge, mis on seda suurem, mida suurem on takisti takistus. Selle elektromotoorjõu põhjustajaks on soojusliikumine. Seega sõltub mürapinge lisaks takistusele R temperatuurist T, olles seda suurem, mida kõrgem on temperatuur. Mürataset iseloomustab suhteline müra elektromotoorjõud, mis on takistil tekkiva elektromotoorjõu efektiivväärtus temale rakenduva alalispinge 1 V kohta. müra elektromotoorjõu efektiivväärtus ( µV ) Em = alalispinge 1V Mürapinge avaldub valemist

·

·

·

U müra = 4kTRf

kus k on Boltzmanni konstant (1,38 10 () ja f sagedusriba (Hz). ·

-23

( µV )

J/K), T takisti pinna temperatuur (K), R takisti takistus

Muuttakistite puhul saab rääkida veel järgmistest parameetritest: reguleertunnusjoonest. Seda käsitleti seadetakisteid puudutavas punktis

19

·

kulumiskindlusest. Kõik mis liigub, see kulub. Nii kulub ka muuttakisteis takistuskeha. Iga tootja annab oma reguleertakistitele liugurkontakti edasi-tagasi liikumise arvu, mille jooksul takisti omadused ei tohi halveneda. Üldotstarbelistel süsinikkihiga reguleertakisteil on kulumiskindlus tavaliselt kuni 25 000 korda, kermetkihiga kuni100 000 korda. Seadetakistite kulumiskindlus on harilikult madal, piirdudes 1000 korraga.

Takisti tavalise aktiivtakistuse kõrval tuleb kõrgematel sagedustel arvestada ka parasiitsete reaktiivtakistustega. Nimelt muutub takisti väljaviikude ja takistuselemendi induktiivne komponent kõrgetel sagedustel piisavalt suureks, nõnda et tema mõju tuleb arvestada. Kõrgetel sagedustel saab rääkida ka küllalt suurest mahtuvuslikust komponendist takisti väljaviikude vahel ja väljaviikude ning läheduses olevate teiste vooluradade vahel. Reaktiivset komponenti tuleb arvestada traattakistite puhul, alates sagedusest 1 kHz. Metallkihttakistitel, millel on keermekujuline takistuskiht, alates sagedusest 1 MHz, ja väikestel ilma väljaviikudeta pindmontaazi komponentidel, alates sagedusest 3 GHz. Takisti aseskeem kõrgetel sagedustel on joonisel 2.16.

Ltakistuskiht Rpõhitakistus Lväljaviik Cväljav iik Ctakisti Lväljaviik Cväljav iik

Joonis 2.16. Takisti aseskeem kõrgetel sagedustel Tabel 2.1 Takistite nimitakistuste kordsed väärtused (, k, M, G) normridade E6, E12 ja E24 korral E12 E24 E6 E12 E24 E6 E12 1,0 1,0 10 10 10 100 100 1,1 11 1,2 1,2 12 12 120 1,3 13 1,5 1,5 15 15 15 150 150 1,6 16 1,8 1,8 18 18 180 2 20 2,2 2,2 22 22 22 220 220 2,4 24 2,7 2,7 27 27 270 3,0 30 3,3 3,3 33 33 33 330 330 3,6 36 3,9 3,9 39 39 390 4,3 43 4,7 4,7 47 47 47 470 470 5,1 51 5,6 5,6 56 56 560 6,2 62 6,8 6,8 68 68 68 680 680 7,5 75 8,2 8,2 82 82 820 9,1 91

E6 1,0

1,5

2,2

3,3

4,7

6,8

E24 100 110 120 130 150 160 180 200 220 240 270 300 330 360 390 430 470 510 560 620 680 750 820 910

20

Tabel 2.2 Takistite nimitakistused normridade E48, E96 ja E192 korral E48 100 E96 100 102 105 105 107 110 110 113 115 115 118 121 121 124 127 127 130 133 133 137 140 140 143 147 147 150 154 154 158 162 162 165 169 169 174 E192 100 101 102 104 105 106 107 109 110 111 113 114 115 117 118 120 121 123 124 126 127 129 130 132 133 135 137 138 140 142 143 145 147 149 150 152 154 156 158 160 162 164 165 167 169 172 174 176 E48 178 E96 178 182 187 187 191 196 196 200 205 205 210 215 215 221 226 226 232 237 237 243 249 249 255 261 261 267 274 274 280 287 287 294 301 301 309 E192 178 180 182 184 187 189 191 193 196 198 200 203 205 208 210 213 215 218 221 223 226 229 232 234 237 240 243 246 249 252 255 258 261 264 267 271 274 277 280 284 287 291 294 298 301 305 309 312 E48 316 E96 316 324 332 332 340 348 348 357 365 365 374 383 383 392 402 402 412 422 422 432 442 442 453 464 464 475 487 487 499 511 511 523 536 536 549 E192 316 320 324 328 332 336 340 344 348 352 357 361 365 370 374 379 383 388 392 397 402 407 412 417 422 427 432 437 442 448 453 459 464 470 475 481 487 493 499 505 511 517 523 530 536 542 549 556 E48 562 E96 562 576 590 590 604 619 619 634 649 649 665 681 681 698 715 715 732 750 750 768 787 787 806 825 825 845 866 866 887 909 909 931 953 953 976 E192 562 569 576 583 590 597 604 612 619 626 634 642 649 657 665 673 681 690 698 706 715 723 732 741 750 759 768 777 787 796 806 816 825 835 845 856 866 876 887 898 909 920 931 942 953 965 976 988

21

Takistite tähistamine

Takisteid tähistatakse numbritega või värvikoodiga. Numbritega markeeritakse suure hajuvõimsusega püsitakisteid ja muuttakisteid, millele kantakse nimitakistus ja tolerants. Numbritega märgitakse takistuse väärtus veel pindmontaazi takistitele. Kõige levinum on aga värvimarkeering. Oomides olevat väärtust tähistatakse tähtedega , R või E. Näiteks saab 2,2-oomist takistit tähistada 2,2 ; 2R2 või 2E2 ja 47-oomist takistit 47 ; 47R või 47E. Kilo-oomides olevat väärtust tähistatakse tähtedega k või K ja megaoomides olevat väärtust M või M. Kui täht K või M asub arvu ees, siis asendab see nulli ja koma. Näiteks 68K tähendab 68-kilo-oomist takistit, aga K68 tähendab 0,68 kilo-oomi ehk 680 oomi. Selline tähistamine kehtib normridade E6...E24 korral, sest sel juhul piisab nimitakistuse tähistamiseks kahest numbrist. Ridade E48...E192 korral väljendatakse nimitakistust kolme numbriga, näiteks 215R on 215 , K115 on 115 ja 6K81 on 6,81 k. Tolerantsi väljendatakse kas numbriga või tähega. Tähtedele vastavad tolerantsid: B ±0,1% F ±1% K ±10% C ±0,25% G ±2% M ±20% D ±0,5% J ±5% Värvimarkeeringu korral saab takisti väärtuse teada korpusele trükitud värviliste rõngaste järgi. Lugemist alustatakse rõngast, mis asub takisti otsmisele kontaktile kõige lähemal või on paksem kui teised. Ridade E6...E24 korral tähistavad kaks esimest rõngast kahte numbrit, mis määravad nimitakistuse arvväärtuse. Kolmanda rõnga väärtus annab korrutaja, millega korrutades saab nimitakistuse oomides. Neljanda rõnga värv annab tolerantsi. Kui rõngas puudub, siis on takisti tolerants ±20%. Takistite värvimarkeering takistusridade E6...E24 korral on tabelis 2.3. Ridades E48...E192 väljendatakse takistust kolme numbriga ­ kolme esimese rõngaga. Neljas rõngas on korrutaja ja viies rõngas määrab tolerantsi. Kui esineb veel kuues rõngas, siis näitab see takistuse temperatuuritegurit (standard IEC62). Standardi IEC62 värvimarkeering on tabelis 2.4. Tabel 2.3 Takistusridade E6, E12 ja E24 värvimarkeering Värv Hõbedane Kuldne Must Pruun Punane Oranz Kollane Roheline Sinine Lilla Hall Valge Nimitakistus 1. number 2. number Korrutaja 10n (takistusvahemik) 10-2 (0,1 ­ 0,91 ) 10-1 (1 ­ 9,1 ) 0 1 (10 ­ 91 ) 1 1 10 (100 ­ 910 ) 2 2 102 (1 ­ 9,1 k) 3 3 103 (10 ­ 91 k) 4 4 104 (100 ­ 910 k) 5 5 105 (1 ­ 9,1 M) 6 6 106 (10 ­ 91 M) 7 7 107 (100 ­ 910 M) 8 8 108 (1 ­ 9,1 G) 9 9 9 10 (10 ­ 91 G) Tolerants ±% 10 5 -

22

Tabel 2.4 Takistusridade E48, E96 ja E192 värvimarkeering Värv Hõbedane Kuldne Must Pruun Punane Oranz Kollane Roheline Sinine Lilla Hall Valge Nimitakistus 1. number 2. number 3. number Korrutaja 10n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2 10-1 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109 Tolerants ±% (10) (5) 1 2 0,5 0,25 0,1 0,05 Takistuse temperatuuritegur ppm 250 100 50 15 25 20 10 5 1 -

Näide

Sinine (6)

Hall (8)

Punane (00)

Kuldne (±5%) = 6800 ±5%

Tüübitähised

Iga firma kasutab oma takistite tähistamisel tüübitähistust, mis sisaldab kodeeritud andmeid tüübi, nimitakistuse, tolerantsi, hajuvõimsuse jm kohta. Allpool tuuakse näiteid erinevate tähistuste kohta. USA-s on levinud EIA/MIL kodeering. RC 05 G F 243 J Tolerants (±5%) Nimitakistus (24 000 ) Takistuse temperatuuritegur (±625 - ±3100 ppm/°C) Suurim temperatuur, mille juures on saavutatav hajuvõimsus (70 °C) Korpuse info ja hajuvõimsus (1/8W) Tüüp ( RC ­ masstakisti, RL ­ metallkihttakisti)

23

Selgituseks 05 ­ 1/8 W 07 ­ ¼ W 20 ­ ½ W 32 ­ 1 W 42 ­ 2 W

50 ­ 1/10 W 55 ­ 1/8 W 60 ­ ¼ W 65 ­ ½ W 70 ­ ¾ W 75 ­ 1 W 80 ­ 2 W

K = ±10% J = ±5% G = ±2% F = ±1% D = ±0,5% C = ±0,25% B = ±0,1%

Firma Philips kasutab märksa lühemat kodeeringut. SFR 25 Läbimõõt (06 ­ 0,6 mm; 08 ­ 0,8 mm; 16 ­ 1,6 mm; 24 ja 25 ­ 2,5 mm; 30 ja 34 ­ 3,0 mm; 52 ja 54 ­ 5,2 mm; 68 ja 74 ­ 6,8 mm. Tüübi ACL hajuvõimsus: 01 ­ 1 W, 02 ­ 2 W, 03 ­ 3 W) Tüüp (ACL ­ traat-; CR ­ grafiitkiht-; MP ­ metallkiht-; MRP ­ täppis metallkiht-; SFR ­ üldotstarbeline kihttakisti)

Kondensaatorid

Tihti vajatakse nii elektroonika kui elektrotehnika seadmete juures elementi, mis suudaks mahutada elektrilaenguid. Sellist elementi nimetatakse kondensaatoriks. Kondensaator on ehituselt äärmiselt lihtne, koosnedes kahest lähestikku asetatud ja omavahel hästi isoleeritud suvalise kujuga metallplaadist või plaatide grupist. Kõige lihtsama kondensaatori saab moodustada kahest tasapinnalisest ja omavahel paralleelsest metallplaadist, mille vahel on dielektrikuna õhk. Kui ühele plaadile anda positiivne laeng ja teisele negatiivne laeng, siis püüab ühe plaadi laeng tekitada teisel plaadil elektrilise induktsiooni tõttu vastasnimelist laengut ja ka vastupidi: teise plaadi laeng indutseerib esimesele plaadile vastasnimelise laengu. Elektrilaengu suurus kulonites, mis plaatide vahel mõjuva 1 voldi suuruse pinge juures salvestub kondensaatorisse, väljendab kondensaatori mahtuvust. Mahtuvus (faradites) on võrdeline laenguga (kulonites) ja pöördvõrdeline pingega (voltides):

C=

Q ehk 1 U

farad =

1 kulon 1 volt

Siinjuures tuleb nentida, et mahtuvus üks farad (F) on väga suur ühik, isegi Maakera ei oma nii suurt elektrilist mahtuvust. Maa mahtuvus on ~0,07 F. Seega kasutatakse praktikas suurusi pikofarad (pF) ­ 10-12 F; nanofarad (nF) ­ 10-9 F ja mikrofarad (µF) ­ 10-6 F. Iga kondensaatori mahtuvus sõltub tema mõõtmetest: plaatide pindalast ja vahekaugusest. Vahekauguse puhul avaldab mahtuvusele olulist mõju plaatidevaheline dielektrik. Mida suurem on plaatide pind või väiksem vahekaugus, seda suurem on kondensaatori mahtuvus. Mida suurem on plaatidevahelise dielektriku dielektriline läbitavus , seda suurem on kondensaatori mahtuvus. Seega on mingi isoleermaterjali suhteline dielektriline läbitavus arv, mis näitab, mitu korda suureneb kondensaatori mahtuvus, kui plaatide vahel olev tühi ruum (vaakum) asendada selle ainega. Vaakumi dielektriline läbitavus (0) on üks. Õhu dielektriline läbitavus on 1,0006, paberil on see 2...3 piires ja senjettkeraamikal koguni 1000...10 000. Kui tähistada plaatkondensaatori ühe plaadi ühe poole pindala tähega S, plaatide vahekaugus d-ga ja plaatidevahelise dielektriku läbitavus -ga, siis avaldub selle kondensaatori mahtuvus valemist

C = 0,886

Kondensaatoreid tähistatakse skeemides tähega C.

S

d

24

Kasutamine. Kondensaatoreid kasutatakse elektrilaengute kogumiseks kohtades, kus on lühikeseks ajaks vaja suurt võimsust. Samas ei juhi kondensaator alalisvoolu, sest ei teki kinnist elektriahelat. Kondensaatori aktiivtakistus on lõpmatult suur (RC = ), kuid kondensaatoril on olemas reaktiivtakistus (XC). Seega juhib kondensaator vahelduvvoolu. Kondensaatori reaktiivtakistus (mahtuvustakistus) sõltub nii kondensaatori mahtuvusest (C) kui vahelduvvoolu sagedusest (f0). Mahtuvustakistus avaldub valemist

XC =

1 2f 0 C

Kondensaatoreid kasutatakse seadmete omavaheliseks lahtisidestamiseks, et alalisvool ei kanduks ühest seadmest teise, kuid kasulik vahelduvsignaal kanduks üle väga väikeste kadudega. Samas saab kondensaatoritega piirata ja jagada vahelduvpinget täpselt samuti nagu takistitega.

Tingmärgid skeemides

Püsikondensaatorid Muutkondensaatorid

Liigitamine funktsionaalsuse järgi

Kondensaatoreid saab liigitada mitmeti. Elektriliste parameetrite järgi jagunevad kondensaatorid kõrgepingelisteks, läbilöögipinge suurem kui 1,5 kV, ja madalapingelisteks, ka mittepolaarseteks ja polaarseteks (elektrolüütkondensaatorid). Esmakordselt tuuakse elektroonika komponentide kirjeldusse pinge polaarsus. Kui kondensaatori väljaviigule on märgitud pluss või miinus, siis tuleb see kontakt ka skeemis samanimelisega ühendada.

Püsikondensaatorid

Püsikondensaatorid jagunevad ehituse järgi kile-, keraamika- ja elektrolüütkondensaatoriteks.

Kilekondensaatorid

Dielektrikuks kasutatakse 1...30 µm paksust sünteeskilet. Levinud sünteesmaterjalid on polüester (tähistatakse KT), polükarbonaat (KC), polüpropeen (KP) ja polüstüreen (KS). Elektroodidena kasutatakse õhukest fooliumi, paksus 5 µm, või kilele sadestatud alumiiniumi õhukest kihti. Fooliumkilekondensaatori elektroodideks on õhukesest alumiiniumplekist (fooliumist) lindid, mis koos nende vahel asetsevate 2...10 µm paksuste dielektrikuribadega on rulli keeratud. Mõõtmetelt on väiksemad metall-kilekondensaatorid, kus fooliumi asendab dielektrikule sadestatud metallikiht paksusega 0,02...0,1 µm. Dielektrikuks on nendes kondensaatorites tavaliselt metallpolüester (MKT), metallpolükarbonaat (MKC) ja metallpolüpropeen (MKP). Ajalooliselt on kilekondensaatorid välja kasvanud paberkondensaatoritest. Paberkondensaatorites on õliga immutatud paberiribad vaheldumisi alumiiniumist fooliumribadega, mis on rulli keritud. Korpuse kuju poolest on kilekondensaatorid silindrikujulised, kuid toodetakse ka risttahukakujulisi plastkorpusega kilekondensaatoreid (joonis 2.17 ja 2.18). Joonisel 2.17 kujutatud metallpolüesterkondensaatoreid toodetakse alalistööpingele kuni 1 kV ehk sama kondensaator talub kuni 650 V efektiivväärtusega siinuselist vahelduvpinget. Jooniselt on näha, et korpusele on kantud nimimahtuvus ja suurim tööpinge. Need metallpolüesterkondensaatorid on pikaealised ja taluvad kõrget keskkonna temperatuuri, töötemperatuur jääb vahemikku -50...100 °C.

25

Erinevalt takisteist ei kuumene kondensaatorid neid läbiva voolu tõttu. Pildi vasakul poolel kujutatud korpusega kondensaatoreid toodetakse mahtuvusega 10 nF...10 µF. Paremal poolel olevaid kondensaatoreid toodetakse märksa väiksema mahtuvusega 1 nF...0,68 µF.

Joonis 2.17. Metallpolüester-kilekondensaatoreid Polüpropeenkondensaatoreid toodetakse tööpingele kuni 1,6 kV alalispinget või 700 V vahelduvpinget. Nad sobivad pulseerivatesse süsteemidesse, sest energiakaod dielektrikus on isegi kõrgetel sagedustel väikesed. Töötemperatuur on neil madalam, jäädes vahemikku ­50...85 °C. Ka on need kondensaatorid väikese tolerantsiga, madala negatiivse temperatuuriteguriga ja, mis kõige tähtsam, hea stabiilsusega ajas. Joonise 2.18 vasakul poolel kujutatud korpusega kondensaatoreid on saadaval mahtuvusega 100 pF...1 µF, paremal poolel silindrilise korpusega kondensaatoreid mahtuvusega 100 nF...10 µF.

Joonis 2.18. Metallpolüpropeen-kilekondensaatoreid

Polüesterkondensaatorid on väikese gabariidiga ja odavad ning seega kõige madalama kvaliteediga kilekondensaatorite perekonnas. Neid kasutatakse peamiselt lahtisidestamiseks. Polüpropeenkondensaatorid on polüesterkondensaatoreist kogukamad ja kallimad, kuid nende elektrilised omadused on paremad. Kasutatakse peamiselt pulseerivates süsteemides ja kohtades, kus on vaja pikka aega hoida püsivat laengut. Polükarbonaatkondensaatorid on samas hinnaklassis kui polüpropeenkondensaatorid, nende peamine kasutusala on filtrites ja generaatorites heade stabiilsete omaduste tõttu. Kilekondensaatorid on omadustelt väga stabiilsed ja väikeste elektriliste kadudega. Tuleb siiski arvestada, et kõrgetel sagedustel võib esineda märgatav kadu, kuid kuni 1 MHz on nad kasutatavad. Nad on head kondensaatorid helitehnika vallas. Puuduseks on ainult nende suured mõõtmed.

Keraamikakondensaatorid

Keraamilise dielektriku järgi jagatakse keraamikakondensaatorid kõrgsagedus-keraamikakondensaatoriteks ja senjett-keraamikakondensaatoriteks.

26

Kõrgsageduskeraamikal baseeruvate kondensaatorite dielektrik on väikese läbitavusega, ulatudes 3...550. Võrdluseks mainitagu, et kilekondensaatorite puhul on dielektriku läbitavus ainult 2...4. Kõrgsageduskeraamikal on väga väikesed kaod kõrgete sagedusteni ja nõrk mahtuvuse temperatuurisõltuvus. Omadustelt on kõrgsageduskeraamikal baseeruvad kondensaatorid igikestvad, nad ei vanane peaaegu üldse. Mahtuvuse temperatuurisõltuvus on neil üpris lineaarne ja võib olla nii positiivne (P) kui negatiivne (N). Tabelis 2.5 on erinevate dielektrikute temperatuurisõltuvused ja kodeering. Tabel 2.5 Dielektrikute kodeeringule vastavad parameetrid Dielektrik P100 NP0 N075 N150 N220 N330 N470 N750 N1500 Temperatuuritegur ppm/°C +100 ±30 0 ±30 -75 ±30 -150 ±30 -220 ±30 -330 ±60 -470 ±60 -750 ±120 -1500 ±250 Värvikood punane/violetne must punane oranz kollane roheline sinine violetne oranz/oranz EIA tunnus M7G C0G U1G P2G R2G S2H T2H U2J P3K

Toodetakse ühekihilisi 0,47...560 pF ja mitmekihilisi kondensaatoreid, mille mahtuvus jääb 10 pF...0,1 µF vahele. Mitmekihilise kondensaatori ehitust on kujutatud joonisel 2.19. Jootepinnad Elektroodid

Kondensaatori otskontakt

Keraamika

Joonis 2.19. Mitmekihiline keraamikakondensaator Senjettkeraamika dielektriline läbitavus võib ulatuda 10 000. Selline dielektriline läbitavus võimaldab luua väikeste mõõtmetega väga suure mahtuvusega kondensaatoreid. Kuid pole head ilma halvata, senjettkeraamikast dielektrikul on suur energiakadu ning mahtuvus sõltub tugevalt ja mittelineaarselt temperatuurist, sagedusest ja pingest. Seega on nad kasutatavad ainult madalatel sagedustel ja pingetel ning kohtades, kus väikeste mõõtmete juures on vaja suuri mahtuvusi ja mahtuvuse väärtus ei ole väga oluline (lubatud suur tolerants). Ka vananevad selle klassi kondensaatorid kiiresti.

27

Toodetakse ühekihilisi 10 pF...0,1 µF ja mitmekihilisi kondensaatoreid, mille mahtuvus jääb 10 pF...100 µF vahele. Neid kasutatakse põhiliselt seadmete toitepinge silumise lahtisidestuse elementidena. Teise klassi kondensaatori dielektrikut tähistatakse tähega K ja numbriga, mis näitab dielektrilist konstanti. EIA-tähistuses kasutatakse kolmekohalist koodi, kus esimesed kaks kohta näitavad temperatuurivahemikku ja kolmas mahtuvuse muutust selles vahemikus.

Kood Z Y X Kood 2 4 5 6 7 8 9 Madalaim töötemperatuur +10 °C -30 °C -55 °C Kõrgeim töötemperatuur +45 °C +65 °C +85 °C +105 °C +125 °C +150 °C +200 °C Kood A B C D E F P R S T U V Mahtuvuse muutus ±1,0% ±1,5% ±2,2% ±3,3% ±4,7% ±7,5% ±10% ±15% ±22% +22, -33% +22, -56% +22, -82%

EIA-koodile Y5T vastaks kondensaator, mille mahtuvus saaks muutuda ­33...+22% temperatuurivahemikus ­30...+85 °C. Joonisel 2.20 on erineva kujuga keraamikakondensaatoreid.

Joonis 2.20. Erineva korpusega keraamikakondensaatorid

Elektrolüütkondensaatorid

Alumiiniumelektroodidega elektrolüütkondensaatorid on suure mahtuvusega püsikondensaatorid. Nende ühe plaadi moodustab alumiiniumpleki riba. Teise plaadina toimib elektrolüüt ­ elektrit juhtiv vedelik, mis asetseb kiudainest lindis. Elektriline ühendus elektrolüüdiga moodustatakse teise elektroodi abil, milleks on tavaliselt kondensaatori alumiiniumist korpus. Elektrolüütkondensaatori pingestamisel alalispingega katab elektrolüüsi tõttu tekkiv elektrit mittejuhtiv alumiiniumiühend õhukese kihina positiivse elektroodi. See isoleeriv kiht toimibki elektrolüütkondensaatoris dielektrikuna. Tekkinud dielektrikukiht on väga õhuke, kõigest mõne molekuli paksune, seepärast on kondensaatori plaadid teineteisele väga lähedal ja tekkiv mahtuvus küllalt suur. Elektrolüütkondensaator on polaarne element, seepärast tuleb kasutamisel teada mõningaid tema omadusi.

28

· · ·

Pärast pikemat talitluspausi laseb elektrolüütkondensaator pingestamisel lühemat aega läbi võrdlemisi märgatavat alalisvoolu, mis taastab seismisel halvenenud dielektrikukihi. Ka täiesti töökorras elektrolüütkondensaatorit läbib nõrk alalisvool (läbivool), sest dielektrikuna toimiv ühend ei ole absoluutne mittejuht. Erinevalt teistest kondensaatoritest on elektrolüütkondensaatori puhul tähtis ka pingeallika polaarsus. Elektrolüütkondensaatori negatiivne poolus tuleb ühendada skeemis selle kontakti külge, mille potentsiaal on kogu seadme toitevoolu negatiivsele kontaktile lähemal. Vastassuunalise ühendamise tagajärjel hävib elektrolüüdi ja alumiiniumplaadi vaheline õhuke dielektriku kiht ja elektrolüütkondensaator muutub madalaoomiliseks takistiks. Kui kondensaatorist voolab läbi piisavalt suur alalisvool, siis elektrolüüt kuumeneb ja paisub ning kondensaatori kest lõhkeb. Elektrolüütkondensaatorite kasutamisel tuleb rangelt jälgida nendele tegelikult rakendatava pinge vastavust tootjatehase kehtestatud nimipingele. Pulseeriva voolu korral tuleb arvestada pulseeriva pinge amplituudi tippväärtuse suurust, mitte aga talitluspinge alaliskomponendi suurust. Siinuspinge korral korrutatakse pinge efektiivväärtus 2-ga. Seega on 220 V seinakontaktis pinge amplituudi tippväärtus 311 V.

·

Elektrolüütkondensaatoreid kasutatakse peamiselt pulseerivate voolude silumiseks, näiteks toiteallikates alalispinge silumiseks. Peale alumiiniumelektroodidega elektrolüütkondensaatorite on olemas veel tantaalelektroodidega elektrolüütkondensaatorid, mille talitlusandmed on paremad. Nende läbivool on väiksem ning väiksem on ka mahtuvuse temperatuurisõltuvus. Tantaalelektrolüütkondensaatorites kasutatakse kuiva elektrolüüti, mistõttu nad vananevad aeglasemalt. Alumiiniumelektrolüütkondensaatori puuduseks ongi just aja jooksul elektrolüüdi aurustumine. Läbi-augu-montaazi elementide puhul on elektrolüütkondensaatori korpusele kantud märge negatiivse klemmi kohta (joonis 2.21, vasakpoolne kondensaator). Tantaalelektrolüütkondensaatorite puhul on aga positiivne kontakt tähistatud tumeda triibuga (joonis 2.21, parempoolne kondensaator).

Joonis 2.21. Mitmesuguse kujuga elektrolüütkondensaatoreid Elektrolüütkondensaatoreid toodetakse mahtuvusega 0,1 µF...0,1 F, kuid erirakenduste jaoks ka suuremaid. Elektrolüütkondensaatorite puhul tuleb arvestada sageduse mõju mahtuvusele. Nimimahtuvus on kättesaadav sageduseni kuni 1 kHz. Kui sagedus suureneb, väheneb mahtuvus järsult, alumiiniumelektrolüütkondensaatorite puhul rohkem ja tantaalelektrolüütkondensaatorite puhul vähem.

29

Muutkondensaatorid

Muutkondensaatoritena on kasutusel seadekondensaatorid seadme esmareguleerimiseks ja häälestuskondensaatorid raadioseadmete võnkeringide ümberhäälestamiseks.

Seadekondensaatorid

Seadekondensaator koosneb paigalseisvast ja pööratavast osast, s.t staatorist ja rootorist. Põhiliselt kasutatakse keraamilise dielektrikuga seadekondensaatoreid, mille plaatideks on dielektrikule sadestatud hõbedasektorid. Seadekondensaatorid on väikese mahtuvusega, mis jääb vahemikku 1...33 pF. Seadekondensaatoreid on kujutatud joonisel 2.22.

Joonis 2.22. Erineva kujuga seadekondensaatoreid

Häälestuskondensaatorid

Häälestuskondensaatori moodustavad kas alumiiniumplaadid või hõbetatud vaskplekist paralleelsed poolümarad plaadid. Plaatide vahel on õhk või mõni väikese kaoga dielektrik. Häälestuskondensaatorite mahtuvus jääb vahemikku 1...470 pF.

Tunnussuurused

· · Nimimahtuvus vastab enamasti normridade E6, E12 või E24 väärtustele (tabel 2.1), kõrgsageduskondensaatoreid toodetakse ka ridade E48, E96 ja E192 järgi. Tolerants ehk mahtuvushälve näitab, mitu protsenti võib kondensaatori tegelik väärtus olla suurem või väiksem nimiväärtusest. Tolerants on tavaliselt ±20%, ±10% või ±5%. Kõrgsageduskondensaatorid on ka täpsemad. Elektrolüütkondensaatorite hälve võib olla vahemikus ­20...+100%. Nimipinge on suurim alalispinge, millega kondensaator võib kestvalt töötada. Vahelduvpinge korral tuleb valida pinge efektiivväärtusest vähemalt 2 korda suurema nimipingega kondensaator. Mahtuvuse temperatuuritegur näitab mahtuvuse suhtelist muutust temperatuuri muutumisel 1 K (kraadi) võrra. Mahtuvuse temperatuuritegur on positiivne, kui mahtuvus temperatuuri tõustes suureneb, vastupidisel juhul aga negatiivne. Isolatsioonitakistus on kondensaatori alalisvoolutakistus teatud pingel, mis tavaliselt jääb nimipingest tunduvalt allapoole. Väikese mahtuvusega kondensaatoreil on selle takistuse väärtus sajad gigaoomid. Isolatsioonitakistus on seda väiksem, mida suurem on kondensaatori elektroodide pindala. Seepärast iseloomustatakse suure mahtuvusega kondensaatorite isolatsioonitakistust ajakonstandiga sekundites t = R·C (M·µF).

· ·

·

30

· ·

Lekkevool on kondensaatorit nimipingel läbiv juhtivusvool. Lekkevool iseloomustab eelkõige elektrolüütkondensaatoreid. Lekkevoolu mõõdetakse mõni minut pärast pingestamist. Kaonurga tangens () ehk hüvetegur iseloomustab aktiivkadusid kondensaatoris vahelduvpinge reziimis. Tegemist on aktiivenergia kaoga reaktiivvõimsusesse

tg =

P Q

Saamaks aru reaalsest komponendist, tuleks kasutada joonisel 2.23 kujutatud lihtsustatud aseskeemi, kus Rjada on kontaktide (väljaviikude), elektroodide, elektrolüüdi ja dielektriku kadude takistus; Lviik on väljaviikude ja elektroodide induktiivsus; Rdiel dielektriku takistus ja C mahtuvus.

Rjada Lviik

Rdiel

C

Joonis 2.23. Kondensaatori aseskeem

Tabel 2.6 Kondensaatorite nimimahtuvuste väärtused (pF, nF, µF, mF)

E6 E12 E24 E6 E12 E24 E6 E12 E24 E6 E12 E24

0,1

0,1 0,12

0,15

0,15 0,18

0,22

0,22 0,27

0,33

0,33 0,39

0,47

0,47 0,56

0,68

0,68 0,82

0,1 0,11 0,12 0,13 0,15 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24 0,27 0,30 0,33 0,36 0,39 0,43 0,47 0,51 0,56 0,62 0,68 0,75 0,82 0,91

1,0

1,0 1,2

1,5

1,5 1,8

2,2

2,2 2,7

3,3

3,3 3,9

4,7

4,7 5,6

6,8

6,8 8,2

1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2 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

10

10 12

15

15 18

22

22 27

33

33 39

47

47 56

68

68 82

10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91

100

100 120

150

150 180

220

220 270

330

330 390

470

470 560

680

680 820

100 110 120 130 150 160 180 200 220 240 270 300 330 360 390 430 470 510 560 620 680 750 820 910

31

Kondensaatorite tähistamine

Kõige rohkem tähistatakse kondensaatoreid numbritega. Nimimahtuvus esitatakse numbrina ja ühik tavaliselt ühe tähega p (pF), n (nF) või µ (µF). Kehtivad samad reeglid mis takistite tähistamisel. 22n tähendab 22 nF mahtuvust. Kui korpusele on märgitud 5p6, siis tähistab p arvu keskel koma kohta ja tegemist on 5,6 pF kondensaatoriga. Täht arvu ees tähistab samuti koma, näiteks µ68 tähendab 0,68 µF mahtuvust. Kui kondensaatorile on kantud mahtuvuse väärtus kolme numbriga, siis näitavad kaks esimest numbrit mahtuvust ja kolmas number näitab korrutajat. Näiteks 682 tähendab 6800 pF ja 224 tähendab 220 000 pF ehk 220 nF või 0,22 µF. Värvimarkeeringut kasutatakse kondensaatoritel harva ning siis kehtib sama kodeering mis takistite puhul. Pindmontaazi elementidele ei kanta aga üldse väärtusi. Tolerantsi märkimiseks kasutatavad tähtkoodid: F ±1% G ±2% J ±5% K M Q G H S J ±10% ±20% +30...-10 25V 32V 40V 50V T Y S K L N +50...-10 +100...-10 +50...-20 63V 80V 100V Z +80...-20

Kodeeritult võidakse esitada ka nimipinge: B 6,3V D 10V E 16V F 20V

Tüübitähised

Kasutatakse lühi- ja täistähiseid. Lühitähis määrab kindlaks kondensaatori liigi, dielektriku ja seerianumbri. Täistähis määrab lisaks põhiparameetrid, mõõtmed, viikude iseärasused jm. Tuleb arvestada, et igal firmal on oma tähistus, kusjuures ka ühe firma sees võib iga tooteliigi jaoks olla erisugune tähistus.

Kemet (USA) C 052 K 102 K 2 X 5C A

Mitmekihiline keraamiline kondensaator

Tõrgete arv 1000 töötunni kohta (M 1%; P 0,1%; R 0,01%; S 0,001%) Väljaviike iseloomustav kood Mahtuvuse temperatuurisõltuvuse grupp (X mahtuvuse muutus vahemikus ­55...+125 °C enimalt ±15%) Nimipinge (200 V) Mahtuvuse tolerantsi standardkood (±10%) Nimimahtuvus (1000 pF) Standardi kood Korpuse mõõtmete kood Liik (C keraamiline)

32

T 110 A 105 K 050 A

Tantaal-elektrolüütkondensaator

Tõrgete arv 1000 töötunni kohta (A pole normitud) Nimipinge (50 V) Mahtuvuse tolerantsi standardkood Mahtuvus (1 000 000 pF = 1 µF) Korpuse mõõtmete kood Seerianumber (110 ­ polaarne, 111 ­ mittepolaarne) Liik (T ­ tantaal)

Induktiivelemendid

Mis on induktiivsus? Induktiivsust omavad kõik voolu juhtivad juhtmed ning elemendid. Nimelt tekib vooluga juhtme ümber magnetväli. Kuni vool juhtmes ei ole stabiliseerunud, on juhet ümbritsev magnetväli muutuv. Muutuv magnetväli mõjutab aga omakorda juhtmes olevate laengute liikumist. Kuni magnetväli pole stabiliseerunud, takistab ta laengute liikumist ja põhjustab sellega voolu hilistumist piki juhet. Kui koostada vooluring vooluallikast, lambist, lülitist ja pikkadest ühendusjuhtmetest, siis vooluringi tekitamisel ei sütti lamp kohe lüliti sisselülitamise hetkel, vaid hõõgub esmalt tuhmilt ja alles mõne aja pärast saavutab täisheleduse. Induktiivsuse mõõtühik on henri (H). Nii nagu mahtuvuse mõõtühik farad on suur ühik, nii on ka induktiivsus 1 H suur induktiivsus. Praktikas kasutatakse millihenrit (mH) 10-3 H, mikrohenrit (µH) 10-6 H ja nanohenrit (nH) 10-9 H. Kasutamine. Lihtsaim induktiivelement on induktiivpool. Induktiivpoolid on seadmeis, mis tarbivad või muundavad vahelduvvoolu, näiteks filtreis, LC-võnkeringides ja energia salvestamiseks toitepinge muundureis. Filtrites ja LC-võnkeringides kasutatakse poole klassikalises tähenduses sagedusteni ~400 MHz. Sagedustel üle 400 MHz kasutatakse induktiivsete elementidena liinilõike, milleks on sirged traadilõigud. Skeemides tähistatakse induktiivpoole tähega L.

Tingmärgid skeemides

Südamikuta Südamikuga Reguleeritava südamikuga

Ehitus ja liigitus

Induktiivpool (lühendatult pool) koosneb mähisest ja poolialusest. Väikese induktiivsusega poolidel võib poolialus puududa. Mähis keritakse isoleeritud vasktraadist. Kõrgetel sagedustel kasutatakse hõbedatud traati. Poolialus valmistatakse enamasti polüstüroolist, mis on väikese dielektrikuskaoga isoleeraine. Selleks et saada väiksema keerdude arvu juures suuremat induktiivsust, varustatakse pool suure magnetilise läbitavusega ainest südamikega. Sellega kaasneb ka võimalus muuta pooli induktiivsust. Ülikõrgsageduspoolides vähendatakse induktiivsust diamagnetiliste, vasest või alumiiniumist südamike abil. Selleks et vähendada elektromagnetilisi häireid, isoleeritakse poole muudest elementidest metallkarpidega (varjestamine).

33

Paispoolid ehk drosselid on mõeldud teatud sagedusest kõrgema sagedusega voolu tõkestamiseks. Nii välditakse kõrgsageduspinge võimendist toiteallikasse ja samas ka teistesse seadme plokkidesse kandumist. Paispoolid võivad olla õhk-, ferriit- või lihtsalt keraamilisel südamikul. Drosselite südamikuks võib olla silindriline alus või rõngakujuline ferriitsüdamik. Väiksemad drosselid on sarnases korpuses silindriliste läbi-augu-montaazi takistitega. Pindmontaaziks mõeldud drosselite korpus võib olla risttahukakujuline. Paispoole on saadaval induktiivsusega 0,1 µH kuni 100 mH. Drosselite tolerants on tavaliselt ±20%, ±10% ja nimiväärtused vastavad normväärtuste reale E6 ja E12. Harvem esineb väiksema tolerantsiga drosseleid. Kuju ja mähkimisviisi järgi saab eristada järgmisi mähiseid (poole): ühe- ja mitmekihiline mähis; tihe mähis (keerd keeru kõrvale); samm-mähis (juhtme läbimõõdust suurema sammuga); sektsioonmähis (koosneb mitmest jadamisi ühendatud ühistelgsest mähisest); ristmähis (naaberkihtide keerud asetsevad omavahel nurgi); vabamähis (traat keritakse korrapäratult poolialusele); sümmeetriline mähis (saadakse kahe traadi korraga kerimisel. Ühe traadi lõpp ja teise algus moodustavad siis pooli keskharundi).

Tunnussuurused

·

·

Induktiivsus sõltub pooli keerdude arvust ja muidugi pooli kujust ning mõõtmeist, samuti kasutatavast südamikust ja selle materjalist. Toodetakse normridadele E6, E12 jne vastavate induktiivsustega poole, kuid sageli puudub võimalus kasutada standardväärtusi ja poolid valmistatakse ise. Hüvetegur Q on pooli induktiivtakistuse XL ning poolis tekkivat energiakadu väljendava ekvivalentse kõrgsagedustakistuse R suhe

Q=

X L 2 f L = R R

kus f on sagedus, mille juures hüvetegurit arvutatakse, L pooli induktiivsus ja R kõrgsagedustakistus, mille määrab eelkõige pooli aktiivtakistus. Aktiivtakistusena ei saa arvestada testriga mõõdetud tulemust, kuna kõrgsagedusvool kipub voolama ainult mööda juhtme välispinda (juhtme keskel on vool null). Seega mida kõrgem on sagedus, seda suurem on ka juhtme aktiivtakistus. Näiteks 0,5 mm läbimõõduga juhtme takistus hakkab suurenema alates sagedusest 0,1 MHz, kasvades sagedusel 1 MHz umbes kahe ja sagedusel 100 MHz juba kahekümnekordseks. Mida suurem on hüvetegur, seda kitsaribalisema võnkeringi saab sellest poolist ja kondensaatorist moodustada. Hüvetegur on aluseta poolidel 100...500, ferriitsüdamikuga poolidel sagedusel kuni 10 MHz 60...180 ja mitmekihilistel õhksüdamikpoolidel 20...30. · Omamahtuvuse määrab mähise keerdudevaheline hajumahtuvus. Sellele lisandub veel pooli mahtuvus lähedaste metallesemete suhtes. Ühekihilistel poolidel on see tavaliselt väike ühe pikofaradi suurusjärgus, kuid mitmekihilistel poolidel ulatub mahtuvus kümnetesse pikofaraditesse. · Induktiivsuse temperatuuritegur L (1/K) näitab induktiivsuse suhtelist muutust temperatuuri muutumisel 1 K (ühe kraadi) võrra.

L =

1 L , tavalistel ­ L.= (100..300)10-6 1/K L T

Reaalse induktiivpooli puhul pole pääsu parasiitsete komponentide eest. Lihtsustatud aseskeem on joonisel 2.24, kus Rjada on pooli aktiivtakistus; Coma omamahtuvus (keerdudevaheline mahtuvus) ja L induktiivsus.

34

L

Rjada

Coma

Joonis 2.24. Induktiivpooli aseskeem

Magnetmaterjalid

Poolide südamikes kasutatakse rohkem ferriite ning vähem magnetodielektrikuid. Kasutatav ferriit on metallkeraamiline materjal, mis koosneb raud(III)oksiidist ja muude metallide (nikkel, tsink, mangaan, baarium) oksiididest. Saadud sulamil on enamasti suur eritakistus ja sellest tulenevalt väike pöörisvoolukadu. Ferriidi magnetilised omadused kaovad temperatuuridel üle 100 °C. Samuti tuleb ferriitdetaile hoida vibratsiooni ja põrutuste eest, mis võivad algläbitavust mõnikord pöördumatult muuta. Tuleb arvestada, et mida suurem on ferriidi magnetiline läbitavus (µ), seda madalam on tema piirsagedus ehk kriitiline sagedus, millel dielektriliste kadude nurga tangens ulatub kriitilise väärtuseni. Kui algläbitavus on 1000, siis on ferriitsüdamik kasutatav kuni paari megahertsini. Läbitavuse vähenedes 20-ni, tõuseb piirsagedus juba üle 100 MHz. Magnetodielektrikud koosnevad ferromagnetilise materjali peenpulbri ja sideaine segust. Ferromagnetilise materjalina on kasutusel raudkarbonüüli-, permalloi- või ferriidipulber. Magnetodielektriku magnetiline läbitavus on küll väiksem kui ferriidil, kuid ajaline ja temperatuuristabiilsus on paremad. Kahjuks kaotavad raudkarbonüülsüdamikud oma magnetilised omadused 60 °C kõrgema temperatuuri juures.

Poolide arvutamine

Sirge ümarjuhe

L = 4,61 10 -4 l j (log l j d + 0,17)

kus lj on juhtme pikkus ja d läbimõõt. Kui arvutada mõõtmed millimeetrites, saab tulemuse mikrohenrides (µH).

Ühekihiline pool

L=

0,001w 2 D l D + 0,45

kus w on pooli keerdude arv, D pooli välisläbimõõt ja l pooli pikkus. Ühekihilise pooli hüvetegur on suurim, kui suhe l/D = 0,4...1,0.

35

Mitmekihiline pool

L=

0,001w 2 D (1,12 l D + 1,25 h D + 0,375)

kus lisandunud tähis h on mähise kõrgus ja D on mähise keskmine läbimõõt. Mitmekihilise mähise kõrguse olemust tutvustab joonis 2.25.

l D D h l

Joonis 2.25. Ühekihiline ja mitmekihiline induktiivpool

Resonaatorid ja filtrid

Kui ühendada kaks elementi, induktiivpool ja kondensaator, tekib mingil kindlal sagedusel võnkuv kontuur, mille omavõnkesageduse määravad L ja C väärtused. Sõltuvalt sellest kas L ja C on ühendatud paralleelselt või jadamisi, saadakse kas riba- või tõkkefilter. Kahest sellisest elemendist moodustatud kontuuri halvaks omaduseks on sageduse suhteline ebastabiilsus. Sõltuvad ju nii L kui C väärtused temperatuurist, keskkonna magnetilisest ja elektrilisest läbitavusest (õigemini selle muudust), vibratsioonist jne. Ebastabiilsustegur f/f0 on tavaliselt 10-3 kandis. Selleks et saada paremat sageduse stabiilsust, kasutatakse mitmesuguseid elektromehaanilisi elemente.

Kvartsresonaator

Kvartsresonaatoriks on kvartskristallist kindla nurga all väljalõigatud õhuke ümmargune või ristkülikukujuline plaat, mis on kinnitatud hoidikusse kahe metallplaadi vahele. Kvartsil ilmneb teatavasti piesoefekt: surve mõjul kujunevad plaadi hõbetatud vastaskülgedel ehk elektroodidel erinimelised elektrilaengud, tõmbe korral muutuvad laengute märgid vastupidiseks. Avaldub ka pöördpiesoefekt: plaadile rakenduva vahelduva elektrivälja mõjul tekivad mehaanilised võnkumised. Niisiis moodustab kvartsplaat elektromehaanilise võnkesüsteemi. Kvartsresonaatori sageduse ebastabiilsustegur f/f0 on tavaliselt 10-7 kandis. Iga plaadi resonantsisagedus on rangelt määratud tema mõõtmete ja lõike orientatsiooniga. Valmistatakse kvartsresonaatoreid resonantsisagedusega mõnest kilohertsist sadade megahertsideni. Tuleb mainida, et ligikaudu 1 MHz sagedusega kvartsresonaatorid on kõige stabiilsemad. Väikeste kadude tõttu on kvartsresonaatori hüvetegur Q suur, ulatub kümnetesse tuhandetesse. Resonaator on samaväärne jadavõnkeringiga (joonis 2.26), moodustudes L, R, Cj, millega on rööbiti elektroodide mahtuvus Cr.

36

L Cr R Cj

a b c

Joonis 2.26. Kvartsresonaatori korpus a, tingmärk b ja aseskeem c

Piesokeraamiline filter

Piesokeraamilises filtris täidab nii elektromehaaniliste muundurite kui ka mehaanilise resonaatori ülesannet üks element ­ piesoresonaator, mis koosneb piesokristallelemendist ja selle kahele vastasküljele pihustatud metallelektroodist, s.t ehitus on praktiliselt sama mis kvartsresonaatoris. Tööpõhimõte on ka sama ­ resonaatorile rakenduva vahelduvpinge toimel tekivad elemendis mehaanilised võnked, mille amplituud kasvab järsult, kui ergutava elektrivälja sagedus saab võrdseks omasagedusega. Piesokeraamiline filter on ekvivalentne jadavõnkeringiga (joonis 2.26 c). Niisuguse võnkeringi induktiivsus L ulatub millihenridest (kõrgetel sagedustel) tuhandete henrideni ja Cj sajandikest pikofaraditest mõnekümne pikofaradini; R on kõrgsagedustel sadades oomides ja parasiitne rööpmahtuvus Cr kuni mõnikümmend pikofaradit. Piesokeraamiliste filtrite hüvetegur on kvartsresonaatorite omast väiksem (Q = 300...1200) ja nad pole nii stabiilsed, mis teeb nad ka kvartsresonaatoritest odavamaks. Tavapäraselt kasutatakse piesokeraamilisi resonaatoreid mikrokontrollerite taktigeneraatoreis (kus täpne taktisagedus pole oluline). Piesokeraamilised filtrid leiavad tavapäraselt kasutamist raadiosagedusseadmete vahesagedusvõimendites. Piesokeraamilise filtri tingmärke on joonisel 2.27.

a

b

Joonis 2.27. Piesokeraamilise filtri korpus a ja tingmärke b

Transformaatorid

Transformaator ehk trafo on induktsioonil põhinev elektromagnetiline seadis, mille abil saab ühest vooluringist kanda vahelduvvoolu energia teise sellega vahetult ühendamata (galvaaniliselt sidestamata) vooluringi. Transformaatoriga muudetakse pinget kõrgemaks või madalamaks, vastavalt sellele muutub ka voolutugevus. Kasutatakse enamasti elektroonikaseadmete toitmiseks. Toitetrafo ülesanne on saada võrgupingest vajalik pinge ja tagada galvaaniline (vahetu elektriline) lahtisidestus. Kõrgsagedustehnikas kasutatakse trafosid ka signaaliallikate omavaheliseks sobitamiseks.

37

Trafo põhiosa moodustavad vähemalt kaks mähist ­ primaarmähis, millele rakendatakse muundatav ehk transformeeritav pinge, ja üks või mitu sekundaarmähist, millelt saadakse vajaliku väärtusega muundatud pinge(d) (joonis 2.28).

a

b

c

Joonis 2.28. Trafo tingmärk a, hargneva magnetahelaga trafo b ­ mähised paiknevad südamiku ümber oleval poolialusel, väikese võimsusega trafo metallkorpuses c Vahelduvvoolu juhtimisel trafo primaarmähisesse tekib mähise ümber ja peamiselt raudsüdamikus magnetvoog (aheldusvoog), mille tugevus ja suund muutub kooskõlas primaarvoolu hetkväärtuse muutumisega. Muutlik magnetvoog, aheldudes sekundaarmähistega, indutseerib nendes muutliku suuna ja tugevusega elektromotoorjõu ning kinnise sekundaarvooluringi olemasolu korral ka vahelduvvoolu. Trafomähiste vahel peab olema ferromagnetilisest materjalist südamik. Toitetrafode (50 Hz) südamikud valmistatakse elektrotehnilisest lehtterasest, millel on suur magnetiline läbitavus (µ ~ 500) tugevas magnetväljas ja väike rauaskadu. Kõrgematel töösagedustel töötavate trafode südamikuks teras enam ei sobi, kasutada tuleb permalloid või ferriiti. Permalloi on nikli ja raua sulam, milles esineb lisanditena kroomi, räni, koobaltit, molübdeeni vm. Permalloipleki paksus on tavaliselt 0,01...0,1 mm, vastavalt sagedustele 100...1 kHz. Ferriitsüdamikel on suurem ümbermagneetimiskadu ja küllastusinduktsioon sõltub tugevalt temperatuurist, kuid nad on odavamad ja nende töösagedus on kõrgem. Sekundaarmähises tekkiva elektromotoorjõu ja primaarmähisele rakendatud pinge suhe on võrdne vastavate keerdude arvu suhtega (trafo ülekandeteguriga) vaid siis, kui kõik primaarmähise magnetilised jõujooned läbiksid kõiki sekundaarmähise keerde (s.o ideaalselt tugeva induktiivse sidestuse puhul, kui südamikus ei esine kadusid). Järelikult on trafo ülekandetegur ideaalse trafo korral

Es w = s =k U p wp

kus Es on sekundaarmähise elektromotoorjõud; Up primaarmähisele rakendatav pinge; ws ja wp sekundaar- ja primaarmähiste keerdude arv; k trafo ülekandetegur.

Pistmikud

Igapäevases elus tuleb elektrilisi seadmeid sageli omavahel ühendada. Aegade jooksul on vastavalt otstarbele välja kujunenud erinevad pistikute liigid ning riigid on kasutusele võtnud oma standardid. Seega on pistik seadeldis, mille abil on võimalik juhtmeid korduvalt kokku ja lahti ühendada. Igal pistikul on kaks poolt. Ühe pistiku poole moodustab harilikult väljaulatuvate kontaktidega pistik, mida kutsutakse kõnepruugis isaseks pooleks (ingl male). Teist poolt võib nimetada aukpistikuks ehk pesaks, kõnepruugis ka emaseks pooleks (ingl female). Kodudes kasutatakse kõige sagedamini võrgupistikuid (kodumasinate ühendamiseks seinakontakti), audio-videopistikuid ning antennipistikuid. Kõiki pistikuid toodavad tööstusriigid oma standardite järgi. Meil on levinud standard DIN ehk Saksa tööstusstandard. DIN on kasutusel enamikus Euroopa maades. Maailmas on siiski esimesel kohal RCA-standardi järgi valmistatud

38

pistikud. RCA-standard valitseb USA ja Jaapani toodangus. Selle standardi järgi valmistatud pistikuid kohtab just audio-videoseadmete ühendusjuhtmete juures. RCA-standardi pistikud tagavad üldiselt kindlama kontakti ning väiksema mahtuvuse eri ahelate vahel. Tavaliselt on neid ka lihtsam juhtmega ühendada. Euroopas levib aga üha rohkem ISO-standard. Eksisteerib veel teisi standardeid, nagu BS (Suurbritannia standard), CCTU (Prantsusmaa standard), IEC (Euroopa standard) ja MIL (USA sõjaväe standard). Pistiku valimisel tuleb lähtuda peale standardi veel paljudest asjaoludest. Esmalt peab teadma, millise tugevusega ja sagedusega voolu ning pinget soovitakse kasutada. Teiseks tuleb arvestada keskkonnatingimusi ja kolmandaks pistiku eluiga. Saadaolevate pistikute seas ei ole olemas universaalseid, mis sobiksid kasutada kõikjal. Alati tuleb arvestada, et kontaktil on mingi takistus. Esmatähtis on valida selline pistik, millel oleks minimaalne kontaktidevaheline takistus. Pika eluea tagab pistikukontakti materjal. Kõige tavalisemaks kontaktide materjaliks on messing. Messingist parem materjal on heade elastsusomaduste tõttu fosforpronks. Pistikutes, kus vajatakse väga head elektrilist kontakti, kasutatakse berülliumvaske. Selleks et suurendada kontaktpinna eluiga ja vähendada kontaktide takistust, kaetakse kontaktmaterjali pinnad teiste metallide kihiga. Tavaliselt on kontakti pind kaetud mitme erineva metalliga. Kasutatavad kattemetallid on kuld, hõbe, roodium, pallaadium, tina, nikkel, vask jne. Üheks paremaks loetakse nikli ja kulla kombinatsiooni, mis annab kontaktidele pika eluea, väikese takistuse ja hea mehhaanilise vastupidavuse. Vasest kontakti pind kaetakse niklikihiga, mis moodustab difusioonibarjääri, niklikiht kaetakse omakorda 0,75...5 µm kullakihiga. Kontaktide pinnale tekkiv oksiidikiht (vaskoksiid) võib tekitada kahe kontaktpinna vahele madala potentsiaalibarjääriga dioodi, mis moonutab nõrka signaali. Seetõttu on just audiopistikute juures olulised kullatud pinnaga pistikud, mis tagavad signaali parima moonutusteta ülekande. Kullatud pinnaga kontaktid ei sobi suurte voolude puhul, sest kuld ei ole parim elektrijuht. Suure voolu puhul on hinnatud hõbetatud kontaktidega pistikud. Kuid suure voolu puhul tuleb arvestada ka kontaktide lahutamise meetoditega, et tekkida võiv kaarleek kontakte ei hävitaks. Tavapistikute isoleerivad osad valmistatakse kehvemate omadustega dielektrilistest materjalidest: bakeliidid (ingl bakelite), nailonid (ingl nylon), keraamikast (ingl ceramic), PVC-st jne. Head isolaatorid on silikoonkummi (ingl silicon rubber), DAP, PTFE, nailon 66 jne. Neil on ka paremad parameetrid temperatuuri ja sageduse suhtes. Väline korpus on tavaliselt valmistatud messingist, terasest, roostevabast terasest, kummist, alumiiniumist jne. Selleks et tekiks hea kontakt, tuleb kontaktile rakendada 0,3...1 N suurust jõudu, mis peab tulema kontaktimaterjali elastsuse arvelt. Ideaaljuhul peaks tekkiv kontaktpind olema gaasikindel. Tuleb siiski arvestada, et aja jooksul muutub kontakti takistus keskmiselt 0,15 . Pistikuid võib liigitada mitmeti. Pistikupoolte omavahelise lukustusviisi järgi eristatakse traatkõrvadega, kruvidega (kuju harilikult lapik, arvutipistikud), keermega (kuju silinderjas) lukustatavaid pistikuid. Teiseks liigitatakse pistikuid nende lahti- ja kokkuühendamise aktiivsuse järgi. 1. Ajalised pistikud. Pistik, mis ühendatakse kokku ja lahti tavaliselt ei võeta. Praeguseks on saavutatud kvaliteet, et 10 aasta jooksul langeb rivist välja üks kümnest tuhandest pistikust. Riknemise põhjuseks on tavaliselt kontaktpinna korrodeerumine, mida soodustab vibratsioon. 2. Pideva kasutamisega pistikud. Need on pistikud, mis taluvad pidevat ühendamist ja lahtiühendamist. Praeguse aja kvaliteet on 10 tõrget 1 000 000 lülituse kohta.

Madalpinge toitepistikud

Kasutatakse peamiselt kaasaskantavate elektroonikaseadmete toitmiseks välisest alaldajast. Toitepistikuid (joonis 2.29) toodetakse välisläbimõõduga 2,35; 3,5; 4,0; 5,0 ja 5,5 mm. Siseläbimõõt võib ühesuguse välismõõdu korral olla tootjati erinev. Juhtme ühendamisel tuleb arvestada toitepesa (joonis 2.30) polaarsust. Sisemine kontakt võib olla nii negatiivne kui positiivne.

39

Joonis 2.29. Madalpinge toitepistikuid

Joonis 2.30. Madalpinge toitepistiku pesa

Audiopistikud

Väikese ja keskmise võimsusega audiosignaalide ülekandeks kasutatakse senini Hi-Fi-seadmetel viie kontaktiga DIN-pistikuid (olid kasutusel nõukogudeaegsel elektroonikaaparatuuril). Kontaktide numbrid 1...5 on enamasti näha kontaktide jooteotste poolt vaadatuna. Monosignaali pistikuil puuduvad kontaktid 4 ja 5. Audioseadmeis on laialdaselt kasutatavad kontsentriliste kontaktidega kommutaator- ehk pulkpistikud (joonis 2.31). Selliseid pistikuid toodetakse läbimõõduga 2,5; 3,5 ja 6,3 mm. Mis tahes mõõtmetega pistikute korpused võivad olla nii sirged kui L-kujulised.

Joonis 2.31 a. Erineva läbimõõduga monosignaali pulkpistikuid

40

Joonis 2.31 b. Erineva läbimõõduga stereosignaali pulkpistikuid

Joonis 2.31 c. Erineva otstarbega pulkpistikute pesad

Kuni 50 W võimsusega kõlarid ühendatakse sageli joonisel 2.32 kujutatud DIN-pistikuga.

Joonis 2.32. Kõlari pistik

RCA-standardi järgi kasutatakse kummagi audiokanali jaoks eraldi pistikut (joonis 2.33). Signaalijuhe ühendatakse pistiku keskmise viiguga ja pistiku kontsentrilise välissilindri külge ühendatakse varje.

Joonis 2.33 a. RCA-pistikuid

41

Joonis 2.33 b. RCA-pesi Eri standarditega kaablite ühendamiseks toodetakse adaptereid. Joonisel 2.34 on adapter RCApistiku ühendamiseks 6,3 mm pulkpistiku pessa.

Joonis 2.34. Adapter eri standarditele vastavate kaablite ühendamiseks

Videopistikud

Kõige tüüpilisemad pistikud video- ja audiosignaalide ühendamiseks on SCART-pistikud. Sellised pistikud on olemas pea kõigil televiisoritel ja videomakkidel (joonis 2.35). Tähtsamad kontaktid: 1 ja 3 on heliväljundid; 2 ja 6 helisisendid ning 4 helisisendite maakontakt; 19 on videosignaali väljund; 20 on videosignaali sisend ning 17 videosignaali maakontakt.

Joonis 2.35. SCART-pistik

42

Kõrgsageduspistikud

Kõrgsagedussignaale edastatakse põhiliselt koaksiaalkaabliga. Kõrgsageduspistikute valikul tuleb eriti suurt rõhku pöörata pistikute kvaliteedile. Pistik ei tohi tekitada parasiitseid mahtuvusi ega induktiivsusi, lisaks ei tohi pistik muuta kaabli lainetakistust. Kontakti takistus peab olema väga väike. Kõige lihtsamad ja odavamad kõrgsageduspistikud on antennipistikud (joonis 2.36). Sellised pistikud ei taga signaali kadudeta ülekannet, kuna kontakti loomisel muutub veidi lainetakistus ja esinevad parasiitkomponendid. Antud pistikud võivad põhjustada märgatava signaali kao just kõrgetel sagedustel (detsimeeterdiapasoonis).

Joonis 2.36. Antennipistikuid

Märksa parema kvaliteedi tagavad F-pistikud (joonis 2.37), mis olmeelektroonika seadmete sageduspiirkonnas (kuni 2,4 GHz) ei tekita praktiliselt kadusid. F-pistikud ilmusid kodudesse koos satelliidi vastuvõtuseadmete kasutuselevõtuga.

Joonis 2.37 a. F-pistikuid

Joonis 2.37 b. F-pistikute pesi

Kolmanda rühma kõrgsageduspistikuid moodustavad BNC-pistikud (joonis 2.37). BNC-pistikuid kasutatakse enamasti mõõteriistakaablite ühendamiseks (lainetakistus 50 ). Nad tagavad signaali väga väikese kao ja on kasutatavad sageduseni 4 GHz. On veel kõrgemate sageduste pistikuid, nagu BNC-pistikute edasiarendus TNC- ning lisaks N-pistikud, mille ülemiseks sageduspiiriks on 12 GHz.

43

Joonis 2.38. BNC-pistikuid

Lintkaablipistikud

Elektroonikaseadmete sisemistes ühendustes on levinud lintkaabel, millele toodetakse pistikuid viikude arvuga 6, 10, 14, 16, 20, 26, 34, 40, 50, 60, 64. Lintkaablipistikud (joonis 2.39) ei joodeta kaabli külge, ühendus tekib mehaaniliselt kaabli surumisel kidade otsa.

Joonis 2.39. Lintkaabli pistikuid

44

Arvutipistikud

Ajalooliselt vanimad on D-tüüpi pistikud. Pistik D(B)-9 on kõigile tuntud, kuna seda kasutatakse järjestikkaabli RS-232 otstes. Printerikaabel ehk paralleelkaabel kasutab D(B)-25 pistikut. D-tüüpi pistikuid toodetakse 9, 15, 25 ja 37 väljaviiguga (joonis 2.40).

Joonis 2.40. D-tüüpi pistikuid ja pistiku korpused Teiseks levinud pistikute rühmaks on RJ-tüüpi pistikud. Arvutite võrgukaablite otstes kasutatakse RJ45 tüüpi pistikuid (joonis 2.41), millel on 8 kontakti, RJ11 on 4 kontakti. RJ11 pistikuid pannakse telefonikaabli otsa.

Joonis 2.41. RJ45 pistik koos pesaga Vaadeldud erineva otstarbega pistikud hõlmavad vaid ühe osa suurest pistikute perekonnast. Mõnikord ei pruugigi pistikud olla ainult elektrisignaali ülekandeks. Ka kiudoptilised kaablid ühendatakse eriotstarbeliste pistikutega.

45

Releed

Elektromehaaniline relee

Elektromehaaniline relee on elektrivoolu abil tüüritav lüliti, s.t lülituselement, mis teeb ühe vooluringi mõjul ümberlülitamisi teis(t)es sellega ühendamata vooluringi(de)s. Releed olid laialdaselt kasutusel elektroonika algaegadel, kuid ka tänapäeval rakendatakse automaatikas hulgaliselt releesid, mis on odavaim moodus väikese tüürvooluga sisse ning välja lülitada suurte vooludega kontuure. Releed on omal kohal, kui nõrkade voolude abil tuleb tüürida tugevaid voole, kõrget pinget või suuri võimsusi. Ent releede puuduseks on pikk sisse- ja väljalülitamise aeg (paar millisekundit), kontaktide-vahelise ühenduse ebastabiilsus sisse- ja väljalülitamisel (hüplemine). Ka tüürvõimsus on suhteliselt suur, võrreldes tänapäevaste elektroonikaseadmete üldise võimsustarbega. Releed on suhteliselt suured ning nende tööiga piiratud. Relee põhiosad on elektromagnet, ankur ja kontaktid (joonis 2.43 a). Elektromagnetilised releed jagunevad toimelt neutraalseteks ja polariseerituteks. Esimestel ei olene kontaktisüsteemi käivitumine tüürvoolu suunast, teised toimetavad tüürvoolu suunast sõltuvaid erinevaid lülitamisi. Kõige enam kasutatakse neutraalseid alalisvoolureleesid (joonis 2.43 a,b). Elektromagneti mähisesse voolu laskmisel tekitatakse terassüdamikust, -ankrust ja õhupilust koosnevast magnetahelas magneetimisergutus, mille toimel ankur tõmbub vastu südamikku, ületades kontaktide ja ennistusvedrude vastusurve.

Ankur Südamik Kontaktid Mähis

a

b

Joonis 2.43. Relee ehitus a ja tingmärk b (tähis skeemides RLY, K) Ankru tõmbejõud ei sõltu voolu suunast. Kuid alalisvoolureleesid ei tohi tüürida vahelduvvooluga, sest voolu hetkväärtuse nulliks muutumisel kaob tõmbejõud ja relee ankur hakkab avanema. Relee kontaktid avanevad ja sulguvad vahelduvvoolu sagedusel, kui see jääb madalamaks relee ümberlülitumisajast. Kõrgemal sagedusel ei jõuaks relee oma inertsi tõttu reageerida ja massiivne südamik hakkaks pöörisvoolude ja ümbermagneetimiskao tõttu kuumenema. Relee tundlikkus sõltub tema magnetringi ehitusest ja mähise keerdude arvust. Tundlikkuse määrab mähisesse antav tüürvõimsus (pinge ja voolu korrutis), mille puhul relee magnetsüsteem rakendub. Relee talitluspinge on tavaliselt töökindluse suurendamise huvides rakenduspingest 1,5 kuni 3 korda suurem. Releekontaktide tööiga sõltub otseselt kontakte läbivast voolust (elektrokeemiline korrosioon). Alla 10 mA voolu ja 5 V pinge korral ulatub relee kulumiskindlus ehk sisse- ja väljalülitamiste arv miljonini, aga spetsifikatsioonis antud suurimal lubataval voolul ning pingel talub relee tavaliselt ainult mõni tuhat lülitamistsüklit. Elektromehaanilisi releesid toodetakse erinevates korpustes. Madala tüürpingega (5V) releed on saadaval isegi integraalkomponentide DIL- ja SIL-korpuses (joonis 2.44).

46

Joonis 2.44. Erineva korpusega releesid

Termorelee

Termorelees lülituvad kontaktid sisse ja välja sõltuvalt keskkonna temperatuurist. Termorelee üks kontaktvedru on valmistatud bimetallist, s.o kahest kokkukeevitatud erineva soojuspaisumisega metallplaadikesest (joonis 2.45 a). Temperatuuri tõusmisel bimetallvedru paindub kummagi metalli ebaühtlase paisumise tõttu ja sooritab vajaliku lülitamise, näiteks avab (sulgeb) tüüritava vooluringi kontaktid.

a

b

Joonis 2.45. Bimetall-termorelee ehitus a ja tüüpiline korpus b Ka termoreleed on olnud elektroonikaseadmetes kasutusel pikka aega. Tänapäeval neid praktiliselt enam ei kasutata, kuid nad on senini laialt levinud elektriradiaatorites ja triikraudades ülekuumenemise kaitsmetena (termokaitse) (joonis 2.45 b) ja temperatuuriregulaatoritena (joonis 2.46). Termokaitsmed võivad olla kas iseennistuvad või mehaaniliselt ennistatavad.

Joonis 2.46. Bimetall-temperatuuriregulaatorid

47

3. POOLJUHTSEADISED

Pooljuhtmaterjalid

Elektrivool metalljuhtmes esineb ainult vabade ehk juhtivuselektronide, s.t ainult negatiivsete laengukandjate suunatud liikumisena. Pooljuhis on veel liikuvad positiivsed laengukandjad. Pooljuhtseadistes kasutatakse monokristalse struktuuriga räni (pooljuhtide algupäevil ka germaaniumi Ge ning ülikõrgsagedustehnikas galliumarseniidi GaAs) juhtivusomadusi. Aeg-ajalt põhjustab ainesisene aatomite soojusliikumine pooljuhi kristalli korrapärasest ehitusest mõne elektroni vabanemise ja nii tekib kristalses võrestruktuuris vabalt liikuv juhtivuselektron. Kohta, kus see elektron aine kristallstruktuuris asus, jääb nüüd auk (joonis 3.1). Seal esineb negatiivse laengu puudujääk, mis on samaväärne positiivse laengu ülejäägiga. Pooljuhi isepäraks on, et sellised augud on liikuvad nagu juhtivuselektronidki. Juhtivuselektroni ja augupaaride pidevale tekkimisele soojusliikumise mõjul vastandub nende paaride rekombineerumine ehk taasühinemine. Aukude liikumine võib olla juhuslik või toimuda välise elektrivälja mõjul. Viimasel juhul täidab augu lähedale sattunud juhtivuselektron (tavaliselt kuskilt naabrusest) selle ja lähedusse tekkib uus auk. Selle protsessi korduma hakkamisel saab elektrilises mõttes rääkida olukorrast, kus pooljuhis liiguvad ka positiivsed laengukandjad. Soojusliikumine tekitab pooljuhis pidevalt vabu elektrone ja auke. Samal ajal täidavad elektronid taas auke, nii et esineb tasakaal: tekkivate ning rekombineeruvate elektronaukpaaride kogused ajaühikus on võrdsed. Paaride arv ajaühikus sõltub temperatuurist. Nende laengukandjate olemasolu põhjustab pooljuhi omajuhtivuse, mis on väga väike. Mõne keemilise elemendi tühine lisand pooljuhi kristallis võib esile kutsuda ülekaaluka elektronvõi aukjuhtivuse, kuna lisand suurendab kunstlikult pooljuhi kristallilise ehituse rikete arvu. Ülekaaluka elektronjuhtivuse korral, mille tekitab arseeni või fosfori lisand, kõneldakse n-tüüpi pooljuhist. Ülekaaluka aukjuhtivuse puhul, mille tekitab indiumi, boori või alumiiniumi lisand, on tegemist p-tüüpi pooljuhiga. Lisandeid, mis tekitavad n-tüüpi pooljuhi, nimetatakse doonorlisandeiks ning p-tüüpi pooljuhi tekitavaid lisandeid aktseptorlisandeiks.

Si Si

Si

Augu teke Si Si

Joonis 3.1. Augu tekkimine räni kristallvõres

Dioodid

Kui õhukest ränikristalli doteerida ühe külje poolt elektronjuhtivust esile kutsuva lisandiga ja teise külje poolt aukjuhtivust põhjustava lisandiga, siis ilmub kahe erineva juhtivustüübiga alade vahele nn pn-piirikiht, millel on ühesuunalise (unipolaarse) juhtivuse omadused. p-kihis on positiivsete laengukandjate küllus, kusjuures nende kontsentratsioon piirikihile lähenedes väheneb. Samamoodi esineb n-kihis negatiivsete laengukandjate küllus ning nendegi kontsentratsioon väheneb piirikihile

48

lähenedes. Soojusliikumise tõttu difundeerub auke p-kihist n-kihti ja elektrone n-kihist p-kihti. Elektronid, mis on tunginud p-kihti, ning augud, mis on tunginud n-kihti, neutraliseeruvad vastavas kihis püsivalt asuvate aukude ja elektronidega. Tulemusena tekib piirikihi läheduses asuvate liikumatute ioonide toimel sisemine elektriväli ehk potentsiaalibarjäär, mis surub enamiku vabu laengukandjaid piirikihist välja. Liikuvate laengukandjate kontsentratsiooni vähenemise tõttu suureneb piirikihi takistus (joonis 3.2 a). Kui rakendada pn-struktuurile pinget välisest pingeallikast, siis ilmneb uue elektrivälja koosmõju potentsiaalibarjääriga, s.o sisemise elektriväljaga. Kui rakendada toiteallika positiivne poolus n-kihile (katood) ja negatiivne poolus p-kihile (anood), siis toetab väline elektriväli sisemise mõju ning laengukandjate arv piirikihis väheneb veelgi. Sellise pingestamise tulemuseks on suure takistusega tõkkekiht, mida läbib väike vastuvool, mille suuruse määrab ära räni omajuhtivus. Nagu juba kirjeldatud, sõltub omajuhtivus materjali puhtusest ja temperatuurist (joonis 3.2 b). Elektriline olukord vaadeldud pn-siirdes kujuneb vastupidiseks, kui ühendada pingeallika positiivne poolus p-kihiga ja negatiivne n-kihiga (pärisuunas pingestamine). Sel juhul surub väline elektriväli p-kihist auke ning n-kihist elektrone piirikihti. Piirikihis hakkab laengukandjate kontsentratsioon suurenema ja sisemine elektriväli väheneb nullini. Tulemusena saavad mõlemat liiki laengukandjad liikuda ühest kihist teise. Piirikiht omandab hea juhtivuse (joonis 3.2 c).

p

akseptorioon Vähemuslaengukandja (elektron) Enamuslaengukandja (auk)

n

doonorioon Vähemuslaengukandja (auk) Enamuslaengukandja (elektron)

E p

triiv difusioon triiv

E n p

triiv triiv triiv

E n p

triiv difusioon

n

difusioon

difusioon

a

b

c

Joonis 3.2. Pingestamata a, vastupingestatud b ja päripingestatud c pn-siire Niisiis on pn-siirdel ventiiliomadus, päripingestatud siiret läbib tugev vool. Siirdele rakenduva pinge polaarsuse muutmisel (vastupingestamine) kasvab siirde takistus järsult ning siiret läbib nõrk soojuslik lekkevool (vastuvool). pn-siiret sisaldavad komponendid ­ dioodid, sobivad vahelduvvoolu alaldamiseks. Dioodide siirded valmistatakse enamasti ebasümmeetrilistena. Tugevamini on tavaliselt legeeritud p-juhtivusega piirkond. Seda loomulikult n-kihi suhtes. Siirde pärivool sõltub pingest ligikaudu eksponentsiaalselt (joonis 3.3). Vastuvool tugevneb pinge tõstmisel algul aeglaselt, alates teatud piirpingest toimub aga läbilöök ja vastuvool kasvab järsult. Vastuvool kasvab ka kiiresti siirde soojenemisel, sest suureneb vähemuslaengukandjate arv. Ka pärivool tugevneb temperatuuri tõustes. Seejuures on päripinge temperatuuritegur negatiivne, umbes 2 mV/K, s.t püsiva pärivoolu korral alaneb päripingelang siirdel 2 mV, kui temperatuur tõuseb ühe kraadi võrra.

IF

Anood (A) Katood (C)

IR

Päripinges

Vastupinges

Joonis 3.3 a. Dioodi tingmärk ja pingestamine

49

50 mA 40 mA 30 mA 20 mA Päripinges -100 -80 -60 -40 -20 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 20 µA 30 µA Vastupinges 40 µA

I

Shottky diood

Sidiood

GaAsdiood

U,V

Joonis 3.3 b. Erinevatest materjalidest siiretega dioodide pinge-voolu tunnusjooned pn-siirdes võib toimuda soojusläbilöök, laviinläbilöök ja tunnelläbilöök. Kui siirdel eraldub liiga palju soojust ülearu suure siiret läbiva voolu tõttu, siis toimub siirdes soojusläbilöök, mille mehhanism on järgmine: soojuse kasvades tugevneb ka vastuvool ja siire kuumeneb veelgi rohkem. Olenevalt siirdest hävib siire soojusläbilöögi tulemusena erinevatel temperatuuridel. Räni pn-siire hävib 150 °C juures, GaAs pn-siire juba 125 °C korral. Laviinläbilöök rajaneb laengukandjate laviinitaolisel paljunemisel tugeva elektrivälja toimel. Nimelt omandavad laengukandjad suure elektrivälja mõjul sedavõrd lisaenergiat, et on võimelised moodustama uusi elektronaukpaare. Tunnelläbilöök (Zeneri efekt) põhineb kvantmehaanikast tuntud tunneliefektil, mille puhul laengukandjad läbivad tõkkekihi, ilma et nende energia suureneks. pn-siirde baasil saab toota mitmete erinevate omadustega dioode ­ alaldusdioode, stabilitrone, mahtuvusdioode, valgusdioode jne.

Alaldusdioodid

Juhul kui vajatakse seadeldist, mille abil muuta vahelduvvoolu alalisvooluks, tuleb kasutada alaldusdioode. Aladusdioodidel on kõrgeim piirsagedus, mille juures siire on veel võimeline avanema ja sulguma, et toimuks vahelduvvoolu alalisvooluks muundamine. Seega leiavad madalsageduslikud alaldusdioodid eeskätt kasutamist võrgupinge alaldamiseks. Toodetakse täisperioodalaldeid, kus neli dioodi on ühises korpuses (joonis 3.8). Kõrgsageduslike alaldusdioodidega detekteeritakse näiteks raadiosignaali. Kõrgsagedusdiood on kasutatav ka lülitusdioodina kõrgsagedustehnikas vooluahelate kontaktituks katkestamiseks ja ühendamiseks. Mida kõrgem on dioodi töösagedus, seda kiiremini ta avaneb ja sulgub. Lülitusdioodi tuleb valida hoolikalt, sest tavaline pn-siire juhib kiirel lülitamisel päripingelt vastupingele ka vastupingel lühiajaliselt aja trr jooksul voolu (joonis 3.4).

50

UF 0 UR IF 0

0,1I Rmax

t,s

trr t,s

IRmax

Joonis 3.4. Pinge ja voolu kulg dioodi ümberlülitamisel vastupingele Alaldus- ja lülitusdioodide tähtsamad põhiparameetrid. · Suurim lubatav alalisvastupinge (URmax) on suurim võimalik vastupinge, mida võib dioodi siirdele rakendada, kartmata dioodi riknemist (arvestada, millise temperatuuri juures on see antud). · Suurim lubatav impulssvastupinge on mis tahes kujuga perioodiliste vahelduvvooluimpulsside amplituudi tippväärtus, ka siinuspinge amplituudi väärtus. · Suurim lubatav alalispärivool (IFmax) on pärivoolu suurim keskväärtus. · Suurim lubatav impulsspärivool on pärivoolu suurim hetkväärtus, kui impulsid on etteantud pikkusega. · Suurim alalisvastuvool (IRmax) on suurim vastuvoolu väärtus etteantud vastupinge korral. Dioode võiks jagada nende suurima lubatud võimsuse järgi kolme klassi. Kui dioodi läbiva voolu suurus on kuni mõnikümmend milliamprit, siis on tegemist väikevõimsusdioodiga. Läbi-augumontaazi puhul on dioodid tavaliselt klaasist silindrilises korpuses, mille pikkus on 3 mm ja läbimõõt 1,5 mm. Keskmise võimsusega dioodi võib läbida kuni 1 A voolu. Selliseid dioode toodetakse tavaliselt kas plast-, klaas- või plekk-korpuses, mille pikkus on 5...10 mm. Dioodid, mida läbib suurem vool kui 1 A, on tavaliselt plekist korpuses ja neid saab kinnitada jahutusradiaatorile. Läbi-augumontaazi komponentide puhul tuleb arvestada, et väljaviiku ei tohi painutada korpusele ligemale kui 1...3 mm sõltuvalt väljaviigu läbimõõdust. Viiku liiga korpuse vastast painutades võib dioodi tõsiselt vigastada. Dioodide korpuseid on kujutatud joonistel 3.5...3.8.

Joonis 3.5. Väikese ja keskmise võimsusega dioode

51

Joonis 3.6. Suure võimsusega dioode

Joonis 3.7. Suure võimsusega dioode transistori korpustes, keskmine viik 2 on kasutamata

Joonis 3.8. Erinevate korpustega alaldusplokid (täisperioodalaldid)

52

Stabilitronid

Stabilitron ehk Zeneri diood on pn-siirdega seadis, mis töötab vastupingereziimis. Stabilitronis toimub teatud vastupingel läbilöök ja pinge stabilitroni kontaktidel praktiliselt ei muutu, kuid samal ajal saab koormustakistus ja vool läbi stabilitroni enda muutuda suurtes piirides. Seega saab stabilitroni kasutada püsiva toitepinge saamiseks. Ta on võimeline vähendama ka alaldatud vahelduvpinge pulsatsiooni. Stabilitroni talitlus põhineb pn-siirde läbilöögil kindlat väärtust ületava vastupinge UZ toimel (joonis 3.9). Siis väheneb järsult dioodi takistus ja tugevneb teda läbiv vool. Kui vastupingestamisel pn-siiret läbiv vool ei kuumenda stabilitroni ohtliku soojusläbilöögi toimumise temperatuurini, siis voolu katkemisel pn-siire taastub, s.t läbilöök stabilitroni ei riku.

+IF

UZ IZmin A IZmax +UF

Joonis 3.9. Stabilitroni pinge-voolu tunnusjoon Stabilitroni tööpunkt valitakse pinge-voolu tunnusjoone keskele (joonis 3.9) punkti A. Tüüpilises pinge stabiliseerimisskeemis valitakse piiramistakisti R väärtus selline, et suurimal sisendpingel ei ületa stabilitroni läbiv vool väärtust IZmax. Kui parajasti ei ole käepärast vajaliku väärtusega stabilitroni, siis saab selle kokku panna mitmest stabilitronist. Näiteks kui vajatakse 8 V stabilitroni, siis saab selle 3,3 V ja 4,7 V stabilitroni järjestikku ühendamisel. Kui ühendada stabilitron vooluringi pärisuunas, siis on ta kasutatav tavalise alaldusdioodina. Selleks et piirata vahelduvpinget, kasutatakse kaheanoodilisi stabilitrone, mis koosnevad kahest katoode pidi omavahel kokku ühendatud ühesugusest elemendist. Stabilitronide iseloomulikud põhiparameetrid. · Stabiliseerpinge UZ on stabilitronil tekkiv pinge, kui teda läbib nimistabiliseerimisvool IZn. · Vähim lubatud stabiliseervool IZmin on stabileervoolu vähim väärtus, mille korral läbilöögireziim on veel stabiilne. · Suurim lubatav stabiliseervool IZmax on stabileervoolu suurim väärtus, mille puhul stabilitron veel ülemäära ei kuumene. · Diferentsiaaltakistus rZ on stabilitroni vahelduvvoolutakistus tööpunktis. · Pinge temperatuuritegur UZ näitab stabiliseerpinge suhtelist muutust protsentides 1 K temperatuurivahe kohta. Temperatuuritegur on tunnelläbilöögiga stabilitronitel negatiivne ja laviinläbilöögil põhinevatel dioodidel positiivne. Kõige väiksema temperatuuriteguriga on 5...7 V stabiliseerpingega stabilitronid.

53

Mahtuvusdioodid

Mahtuvusdiood ehk varikap on ränipindiood, mille puhul kasutatakse dioodi p- ja n-piirkonna vahelise mahtuvuse sõltuvust vastupingest. Diood toimib elektriliselt tüüritava muutkondensaatorina, mille elektroodidevahelise dielektriku ­ dioodi tõkkekihi paksus suureneb vastupinge tõstmisel (seega mahtuvus väheneb) (joonis 3.10).

C

UR

Joonis 3.10. Varikapi mahtuvuse sõltuvus pingest Mahtuvusdioodi põhirakendusala on võnkeringide häälestamine soovitud sagedusele. Mahtuvusdioodi parameetrid. · Nimimahtuvus Ctot n on dioodi mahtuvus väikesel vastupingel UR (tavaliselt ~1V). · Mahtuvuse kattetegur kC = Ctot U1/ Ctot U2 väljendab nimimahtuvuse ja suurimale lubatud vastupingele URmax vastava pinge korral ilmneva mahtuvuse suhet. · Hüvetegur Q väljendab pn-siirde reaktiivtakistuse XC ja kaotakistuse R suhet. Siirde temperatuuri tõustes väheneb hüvetegur märgatavalt. · Mahtuvuse temperatuuritegur C näitab temperatuuri muutusest tingitud mahtuvuse muutust. See tegur on enamikul dioodidel +(1...5)·10-4 1/K.

Valgusdioodid

Valgusdiood (ingl LED ­ light emitting diode) nagu iga teinegi diood on pn-siirdega seadis, mis kiirgab ümbritsevasse ruumi elektromagnetlaineid kas siis spektri nähtavas või infrapunases osas. Kui vaadata pn-siirde tööd, siis vabaneb laengukandjate (elektronide ja aukude) rekombineerumisel energiat elektromagnetkiirgusena. Selleks et vabanenud kiirgus saaks väljuda siirdealast, tuleb üks kiht (p) teha võimalikult õhuke, mõni mikromeeter (joonis 3.11). Valgusdiood on päripingele töötav seadis.

Valgusvoog Al n n a b

+

p

+

Al c

Joonis 3.11. Valgusdioodi tingmärk a, struktuur b ja väliskuju c

54

Valgusdiood kiirgab tavaliselt suhteliselt kitsa spektriga (monokromaatset) valgust. Kiirguva valguse värvuse määrab ära kasutatav pooljuhtmaterjal (tabel 3.1). Toodetakse dioode, kus ühes kestas on kaks või enam erineva värvusega valgusdioodi. Kui ühes kestas on punane ja roheline diood, saab kummaski dioodis voolu varieerides erinevaid värvivarjundeid ­ punakaskollasest kollakasroheliseni. Valgusdioodide valgus on suunatud, suunadiagrammi nurk on tavaliselt 35°. Tabel 3.1

Kiirguva valguse värvi sõltuvus pooljuhtmaterjalist

Valguse värvus Infrapunane Punane Punakasoranz Kollane Roheline Sinine Valge

, nm 900 655 635 583 563 490 430 ­ 700

Pooljuhtmaterjal GaAs GaAsP GaAsP GaAsP GaP GaN InGaN, SiCGaN

Päripingelang UF, V 1,3 ­ 1,5 1,6 ­ 1,8 2,0 ­ 2,2 2,0 ­ 2,2 2,2 ­ 2,4 3,3 ­ 3,8 3,4 ­ 4,0

Valgusdioodide puhul tuleb jälgida, et pärivool ei kasvaks lubatust suuremaks, sest see rikuks pnsiirde (soojusläbilöök). Valgusdiood ei talu kõrget vastupinget, tavaliselt mitte üle 20 V, kuid mõni valgusdiood talub ainult 5 V. Seega tuleb hoolikalt jälgida polaarsust, et valgusdioodi mitte rikkuda. Valgusdioodide eluiga on pikk, lubatud voolutugevusel võivad nad pidevalt töötada kümneid aastaid, juhul kui siirde temperatuur püsib 25 °C piires. Ka on nende kasutegur tunduvalt kõrgem kui hõõglambil, sest erinevalt hõõglambist ei lähe enamus energiast soojuse tootmiseks. Valget valgusdioodi on otstarbekas kasutada taskulambis.

Fotodioodid

Fotodiood on ehituselt sarnane valgusdioodiga (joonis 3.11 b). Läbi õhukese p-kihi langenud valguskvandid genereerivad pn-siirde alas laengukandjaid ­ elektronaukpaare. pn-siirdes oleva elektrivälja mõjul kogunevad tekkinud elektronid siirde n-piirkonda ja augud p-piirkonda. Laengud põhjustavad dioodi viikude vahel potentsiaalide vahe, mida nimetatakse fotoelektromotoorjõuks. Kui nüüd ühendada dioodi kontaktide vahele mõni tarbija, näiteks takisti, siis läbib takistit vool ­ fotovool. Antud juhul toimib fotodiood fotoelemendina (joonis 3.12 c). Kui koostada suurel pinnal paljudest fotodioodidest patarei, siis saadakse autonoomne toiteallikas ­ päikesepatarei. Eesti laiuskraadidel langeb Päikeselt maapinna ühele ruutmeetrile keskmiselt 1000 W energiat, ekvaatoril aga ligi 1500 W/m2. Päikesepatareisid valmistatakse nii räni kui galliumarseniidi baasil, nende kasutegur on 15...30%. Seega peaks meie kliimas saama 1 m2 keskmiselt 200 W elektrienergiat. Fotodioodi kasutatakse ka välise toiteallikaga lülituses, mille pinge rakendatakse dioodile tõkkesuunas (joonis 3.12 b). Valguse puudumisel läbib siiret nõrk vastuvool ehk pimevool. Valguse intensiivistamisel see vool suureneb laengukandjate arvu suurenemise tõttu.

55

IR

E0 E1 E2

Valgustihedus E0< E1< E2

U

a

Fotodiood Fotoelement

IR

R

U

IR

R

b

c

Joonis 3.12. Fotodioodi VA-karakteristik a, kasutamine valgussensorina b ja fotoelemendina c

Lisaks tavalistele pn-siirdega fotodioodidele toodetakse pin-struktuuriga dioode, kus p- ja n-kihi vahel on õhuke väikese omajuhtivusega i-kiht. Sellised fotodioodid on märksa kõrgsageduslikumad, tajudes valguse muutust mõne nanosekundi jooksul. Kiiretoimelised on ka Schottky barjääriga fotodioodid. Väga nõrga valgussignaali korral kasutatakse laviinfotodioode. Nende npip-struktuuris on i-kiht täielikult vaesunud (vastupinge piisavalt tugev) ning seal toimib tugev elektriväli, mis suurendab toimekiirust ja võib põhjustada laengukandjate laviinpaljunemist. Väga nõrkade valgussignaalide tajumisel kasutatakse fototransistore, mis on vooluvõimendusteguri () võrra fotodioodist tundlikumad (50...200 korda). Et sama arv korda väheneb fototransistori toimekiirus, siis jääb bipolaartransitori struktuuriga fototransistoride piirsagedus sadadesse kilohertsidesse. Kiirematoimelisemad on pnväljatransistori struktuuriga fototransistorid. Fotodioode on joonisel 3.13. Mõnel fotoelemendil on valgusdioodidega sarnane korpus.

Joonis 3.13. Fotodioode

56

Dioodide tähistamine

Pooljuhtseadiste tähistamiseks kasutatakse erinevaid süsteeme, USA-s on levinud süsteem JEDEC, Euroopas Pro Electron. Peale selle kasutavad elektroonikaseadmeid tootvad firmad veel oma süsteeme. Järgnevalt tutvustatakse kolme süsteemi.

Euroopa süsteem B ZY 88 C

Stabilitroni stabiliseerpinge tolerants (A ±1%, B ±2%, C ±5%, D ±10%) Tüübi järjenumber Liik (A ­ üldotstarbeline, B ­ mahtuvusdiood, P ­ fotodiood, Q ­ valgusdiood, T ­ türistor, X ­ mahtuvusdiood, Y ­ suure võimsusega alaldusdiood, Z ­ stabilitron) Materjal (A ­ germaanium, B ­ räni, C ­ galliumarseniid, D ­ indiumantimoniid)

USA 1N 2290 A

Tüübiteisend Elektroonikatööstuse Assotsiatsiooni (IEA) registreerimisnumber Dioodi tähis

Jaapan 1S 2033 A

Tüübiteisend või eriomadused Registreerimisnumber Dioodi tähis Euroopa süsteemis markeeritakse üldotstarbelisi dioode kahe laia triibuga (asetsevad katoodipoolses otsas) ja kahe või kolme kitsa triibuga. 1. Lai triip vastab tüübitähise kahele esimesele tähele: must ­ AA, punane ­ BA. 2. Lai triip määrab kolmanda tähe: valge ­ Z, hall ­ Y, must ­ X, kollane ­ T, oranz ­ S, sinine ­ W, roheline ­ V. Kitsaste triipude värv vastab samadele numbritele nagu kirjeldatud takistite värvimarkeeringu juures.

57

Transistorid

Transistori nimi on tuletatud kahest ingliskeelsest sõnas TRANSfer resISTOR, mis tõlgituna tähendaks ,,ülekandvat takistit". Transistor on kolme viiguga pooljuhtseadis, kus ühele viigule rakendatud voolu või pingega saab muuta kahe teise viigu vahelist takistust. Transistori kasutatakse elektrivõngete võimendamiseks ja genereerimiseks ning lülitina. Transistorid jagunevad ehituselt ja talitluspõhimõttelt bipolaartransistorideks ja väljatransistorideks. Esimese töötava transistorini jõudis rühm USA teadlasi Belli telefonifirmas 1947. aastal. Esimene töötav transistor oli punkttransistor, mis on tänapäeva bipolaartransistori eelkäija. Märksa hiljem tulid kasutusse väljatransistorid, kuigi väljatransistori ideed kirjeldati juba 1920. aastatel. Bipolaartransistorides toimuvad protsessid kahte tüüpi laengukandjate ­ elektronide ja aukude vahendusel. Seevastu väljatransistoride talitlus põhineb ainult üht liiki laengukandjatel ­ elektronidel või aukudel.

Bipolaartransistor

Bipolaartransistor on pooljuhtseadis, mis koosneb kahest järjestikku asetsevast pn-siirdest (joonis 3.14). Bipolaartransistor koosneb piltlikult kahest järjestikusest dioodist, millest üks on päripinges ja teine vastupinges. Transistori normaallülituses päripinges olevat siiret nimetatakse emittersiirdeks ja sellega külgnevat ala emitteriks (ld emittere ­ välja saatma), vastupingestatavat siiret kollektorsiirdeks ja sellega külgnevat ala kollektoriks (ld collector ­ koguja). Kahe ala vahele jääb kolmas ala ­ baas. Kuna järjestikku tuleb ühendada erineva juhtivusega pooljuhid, saab eksisteerida kahte tüüpi bipolaartransistore ­ npn- ja pnp-struktuuriga transistore.

Kollektor (C) Baas

Kollektor (C)

n p n

+

p

Baas (B)

n p

+

Emitter (E)

Emitter (E)

Tingmärgid

C B E B E C

Joonis 3.14. Bipolaartransistori struktuur (npn- ja pnp-transistor) ja tingmärgid Normaalses tööreziimis pingestatakse npn-transistor järgmiselt: emittersiire on päripinges ja kollektorsiire vastupinges. Selliselt pingestatult liiguvad elektronid emitterilt baasi suunas. Kui baas on piisavalt õhuke, siis ei suuda kõik elektronid seal rekombineeruda ja liiguvad suunatult ja kiirenevalt edasi. Toimub elektronide triiv läbi vastupingestatud kollektorsiirde. Transistori võimendusefekt põhinebki asjaolul, et väike vool baasi ja emitteri vahel põhjustab märksa suurema voolu emitteri või baasi ja kollektori vahel (joonis 3.15). Võimenduse määrab ära baas. Mida vähem laengukandjaid seal rekombineerub (hävib), seda suurem on transistori võimendus. Sellepärast ei saa transistori koostada kahest dioodist, sest kahe katoodi või anoodi vahel oleks elektronide jaoks liiga pikk tee, kus kõik laengukandjad rekombineeruksid.

58

K n Rekombinatsioon B IB p

IC RL Kollektorsiire Emittersiire

n+ IE E

Joonis 3.15. Laengukandjate kulg pingestatud npn-transistoris Transistori kasutamisel elektrisignaali võimendamiseks võib nõrga sisendsignaali anda kas baasile või emitterile (emittersiirdele) (joonis 3.16). Väljund saadakse tavaliselt kollektoriahelasse ühendatud koormustakistilt RL. Vastupingestatud kollektorsiire toimib vooluallikana, sisendtakistus on kümnetes kilo-oomides (kui transistor ei ole küllastuses). Seetõttu võib ka koormustakisti valida suure takistusega. Sellega on pingelang koormusel võrreldav pingelanguga kollektori ja emitteri või kollektori ja baasi vahel. Toiteallikast saadava energia arvelt hajub koormustakistilt rohkem võimsust kui emittersiirdelt. Baasivoolu ja emittersiirde pingelangu korrutis on märksa väiksem. Seega on elektrivoolu võimsus sisendis märksa väiksem kui väljundis, s.t transistoris toimub võimsusvõimendus. Joonisel 3.16 kujutatud ühise baasiga (ÜB) ühendusviisi puhul saab pingevõimenduse (vooluvõimendus KI = 0,95); ühise emitteriga (ÜE) ühendusviisi puhul saadakse nii pinge- kui ka vooluvõimendus; ühise kollektoriga (ÜK) skeemi puhul ainult vooluvõimendus (pingevõimendus KU = 0,95).

UI

UO

RL UI

UO

RL UI RL UO

ÜB

ÜE

ÜK

Joonis 3.16. Bipolaartransistoride ühendusviise

Selleks et baasi ja emitteri vahel saaks vool kulgeda, peab Si-transistoride puhul olema emittersiirdel pingelang vähemalt 0,6 V, kuid mitte suurem kui 0,9 V. Transistori normaalse tööreziimi kindlaksmääramisel tuleb mõõta siiretevahelisi pingeid. Si-transistor on normaalses tööreziimis ja terve, kui baasi ja emitteri vahel on 0,65...0,75 V pinge. Selleks et transistor võimendaks, peab kollektorsiire jääma suletuks ehk transistor ei tohi olla küllastuses. ÜE-ühenduses transistor on küllastuses, kui emitteri ja kollektori vahel on pinge väiksem kui 0,7 V ehk kollektoripinge on baasi suhtes negatiivne. Vähim lubatav pingelang emitteri ja kollektori vahel oleks 1 V. Siit

59

tulenevalt saab selgeks, et bipolaartransistoriga võimendit ei ole otstarbekas toita madalama toitepingega kui 1,5 V. Tavaliselt kasutatakse bipolaartransistore toitepingetel üle 3 V. Bipolaartransistore saab kasutada võimendusreziimis ja lülitireziimis. Võimendusreziimis on emittersiire avatud ja kollektorsiiret läbib vool, mille põhjustatud pingelang ei vii veel transistori küllastusse (aktiivpiirkond joonisel 3.17 b). Transistor on küllastuses, kui ÜE-ühenduse puhul on pinge kollektoril väiksem pingest baasil, seda muidugi emitteri suhtes. Baasivool võib muutuda võrreldavaks emitterivooluga. Transistor on sulgereziimis, kui kollektor- ja emittersiire on suletud. Vastavalt bipolaartransistori ühendusviisile (ÜE või ÜB) saadakse sellele ühendusele omased staatilised sisend- ja väljundtunnusjooned (joonis 3.17, ÜE-ühendus). Ühisemitteriga lülituse sisendtunnusjooneks on sõltuvus IB = f(UBE), kui UCE = const. Väljundtunnusjooned saadakse kollektorivoolu IC sõltuvusena kollektori ja emitteri vahelisest pingest UCE püsiva baasivoolu IB korral IC = f(UCE), kui IB = const. Tööolukorda iseloomustab dünaamiline tunnusjoon. Selleks on koormussirge AB. Punkti B väärtuse määrab ära toitepinge E, kollektorivool on siis null IC = 0 ja punktis A on suurim kollektorivoolu väärtus

I C max =

IC, mA A 40

E RL

Küllastuspiirkond IB = 200µA Aktiivpiirkond IB = 150µA IB = 100µA IB = 50µA Sulgepiirkond IB = 0

IB, µA 200 150 100 50 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE, V

Koormussirge 20

2

4

6

B

8

UCE, V

a

b

Joonis 3.17. ÜE-ühenduses väikese võimsusega npn-transistori sisend- a ja väljundtunnusjoon b

Bipolaartransistori parameetrid 1. Piirparameetrid Kollektori suurim lubatav hajuvõimsus PCteg on suurim võimsus, millele vastav energia võib hajuda transistori kollektoris etteantud ümbrustemperatuuril. Andmetabeleis antakse see võimsus seotuna kindla temperatuuriga, tavaliselt 25 °C. Suurim lubatav kollektorpinge UCER on kollektori ja emitteri vahele rakendatav suurim pinge, kui baasi ja emitteri vahel olev takistus ei ületa kriitilist väärtust (väikese võimsusega transistoridel enamasti 1...10 k, suure võimsusega transistoridel 100 korda väiksem takistus). Kui baasiahela takistus on suurem, siis lubatav kollektoripinge väheneb seda enam, mida kõrgem on siirde tegelik temperatuur. Kollektori ja baasi vaheline suurim lubatav vastupinge UCB0 on suurim alalispinge, mida võib rakendada nimetatud elektroodide vahele, ilma et transistori parameetrid halveneksid. Emitteri ja baasi vaheline suurim lubatav vastupinge UEB on enamasti 3...5 V.

60

Suurim lubatav kollektorivool ICmax on suurim alalisvool, millega transistor võib kestvalt töötada lubatava hajuvõimsuse piires. Suurim lubatav kollektoriimpulssvool ICM on etteantud parameetritega impulssvoolu suurim amplituudiväärtus. 2. Võimendusparameetrid Vooluülekandetegur h21e (kasutatakse , hfe) on ühise emitteriga (ÜE) lülituses transistori väljundvoolu (kollektorivoolu) ja sisendvoolu muutuse suhe, kui väljundahel on vahelduvvoolu suhtes lühistatud. Seega iseloomustab ülekandetegur transistori vooluvõimendust ja teda nimetatakse ka vooluvõimendusteguriks. Staatiline vooluülekandetegur h 21E (ka B, hFE) avaldub ÜE-ühenduses transistori kollektori ja baasi alalisvoolude suhtena teatud kollektoripinge ja kollektorivoolu korral. Läbivjuhtivus gm või S (tõus) on väljundvoolu muutuse ja sisendpinge muutuse suhe (ühik mA/V või mS) (kasutatakse enamasti väljatransistoride puhul). Võimsusvõimendustegur Gp on väljundvõimsuse ja sisendvõimsuse suhe sobitatud koormuse korral. Väljundvõimsus Pout on võimendusastmest etteantud sagedusel saadav võimsus. Transiitsagedus fT on sagedus, mille juures on transistori võimendus kahanenud üheni (signaal kandub üle ühekordse võimendusega). Kõrgematel sagedustel muutuvad transistori parameetrid komplekssuurusteks. Seega hakkab transistori vooluülekandetegur vähenema ja kahaneb sagedusel fT praktiliselt üheni (joonis 3.18).

100 -20 dB/dec

10

1

fT

0,1 1 10 100 1000 f, MHz

Joonis 3.18. Vooluülekandeteguri sagedussõltuvus

Mürategur F on transistori väljundahelas ilmneva müra koguvõimsuse suhe (dB) nimetatud võimsuse sellesse ossa, mida põhjustab signaaliallika soojusmüra. Mürategur sõltub võimendatava signaali sagedusest. Teatud sagedusest madalamal on mürategur pöördvõrdeline sagedusega f (1/f müra). Kõrgetel sagedustel suureneb mürategur transistori võimenduse vähenemise arvel. Mürateguri väärtus antakse tavaliselt kindlal sagedusel. 3. Lülitireziimi parameetrid Baasi ja emitteri vaheline küllastuspinge UBEsat on nende väljaviikude vaheline pinge küllastusreziimis (etteantud baasi- ja kollektorivoolu korral). Kollektori ja emitteri vaheline küllastuspinge UCEsat on nende väljaviikude vaheline pinge küllastusreziimis (etteantud baasi- ja kollektorivoolu korral).

61

4.

Siirete mahtuvused

Transistori siirete vahelised parasiitmahtuvused avalduvad kõrgetel sagedustel ja mõjutavad transistori sagedusomadusi ja ümberlülituskiirust. Vastupingel on pn-siire vaadeldav kondensaatorina. Kollektorsiirde mahtuvus CC on kollektori ja baasiviigu vaheline mahtuvus, kui emitteriahel on katkestatud ja kollektorsiirdel on vastupinge (harilikult 5 V või 10 V). Emittersiirde mahtuvus Ce on emitteri ja baasiviigu vaheline mahtuvus, kui kollektoriahel on katkestatud ning emitteril on väike vastupinge. Kollektori tagasisideahela ajakonstant c on võrdeline kollektorisiirde mahtuvusega. Mida väiksem see ajakonstant on, seda kõrgemal sagedusel töötab võimendusaste stabiilselt (ei lähe genereerima). Bipolaartransistoridele mõjub hävitavalt siiretele rakendatav liiga kõrge vastupinge. Teiseks riknemise põhjuseks on siirdeid läbivad ülemäära suured voolud. Seega tuleks transistorile pika eluea tagamiseks rakendada 20...30% väiksemaid pingeid ja voole, kui seda spetsifikatsioon ette näeb. Samuti tuleb vältida vastupidist (vastandpolaarsusega) toitepinget.

Väljatransistor

Väljatransistorides tüüritakse juhtivas kanalis ühenimeliste laengukandjate ­ elektronide või aukude hulka elektrivälja abil. Elektriväli tekitatakse pingepotentsiaali loomisega juhtelektroodile ehk paisule (ingl gate). Pais on väljatransistori puhul sama mis bipolaartransistoril baas. Vahe seisneb selles, et baasi tüüritakse vooluga (pinge muutub 0,6...0,9 V), aga paisu pingega (vool on väga väike, praktiliselt võib lugeda nulliks). Juhtkanali otskontakte nimetatakse lätteks (ingl source) ja neeluks (ingl drain). Kui võrrelda bipolaartransistoriga, siis lätte vaste on emitter ja neelu vaste kollektor. Väljatransistorid jagunevad struktuurilt pn-tõkkekihiga transistorideks ehk pn-väljatransistorideks, kus tüüritava elektrivälja mõjul muutub kanali tegevristlõige, ja isoleerkihiga transistorideks ehk MOP-transistorideks, kus elektriväli muudab laengukandjate kontsentratsiooni kanalis, seega kanali takistust. Võrrelduna bipolaartransistoridega on väljatransistoridel suur sisendtakistus, pn-väljatransistoridel sajad megaoomid ja MOP-transistoridel sajad gigaoomid. Väljatransistoride parameetrid sõltuvad vähem temperatuurist. Soojusläbilöögi oht on üsna väike, sest temperatuuri kasvades neeluvool väheneb. Väljatransistorid on tänapäeval laialt kasutusel, sest nad on märksa voolusäästlikumad kui bipolaartransistorid (see kehtib just digitaalelektroonika elementide vallas). Väljatransistoriga võimendi võib töötada 1 V või veelgi väiksemal toitepingel. Ka võtab väljatransistor mikroskeemi aluskristallil märksa vähem ruumi kui bipolaartransistor ja tootmisetappe on vähem, mis teeb nad bipolaartransistoridest odavamaks. pn-väljatransistor. Seda tüüpi väljatransitori ehitust on kujutatud joonisel 3.19. pn-väljatransistori moodustab tavaliselt n-juhtivusega pooljuhist kanal, sest elektronid on märksa suurema liikuvusega kui augud. Loomulikult toodetakse nii n- kui p-kanaliga pn-väljatransistore. Õhukese kanali mõlemale poolele on difundeerimisega tekitatud p-juhtivusega alad. Sellise kanali pikkus on tavaliselt mõni mikromeeter ja kanali paksus (kahe p-juhtivusega ala vaheline kaugus) on mikromeetri kandis. Kanali laius (risti joonise pinnaga) on seotud transistori piirvõimsusega.

62

UGS < 0 p

G

S

D n

p UDS > 0

D G S

n-kanaliga p-kanaliga

D G S

Joonis 3.19. n-kanaliga pn-väljatransistori ehitus ja tingmärgid Transistori normaalsel tööreziimil on paisul lätte suhtes negatiivne pinge. Mida suuremat vastupinget pn-siirdele rakendatakse, seda suuremast alast tõrjutakse laengukandjad välja (joonisel 3.19 näidatud punktiirjoonega). Seega mida suurem on vastupinge, seda kitsamaks kanal muutub ja kanali takistus väheneb. Kanal ei muutu kitsamaks ühtlaselt, nimelt toimub neelupoolses otsas suurem ahenemine. Teatud vastupingel UGS(off) sulgub kanal praktiliselt täielikult. Ongi saadud pooljuhtseadis, kus saab paisupinge muutmisega tüürida neeluvoolu. Joonisel 3.20 on n-kanaliga pn-väljatransistori ülekande- ja väljundtunnusjooned.

Läbilöök

ID

ID

IDSS

UGS = 0V UGS = -1V UGS = -2V UGS = -3V UGS = -4V UGS = -UGSoff

-UGS

-UGSoff

+UDS a b

Joonis 3.20. n-kanaliga pn-väljatransistori ülekande- a ja väljundtunnusjoon b

63

MOP-transistor. MOP-(metalloksiid pooljuht)transistoris on paisuks õhuke metallikiht, mis on pooljuhi pinnast eraldatud õhukese dielektriku (tavaliselt ränidioksiidi SiO2) kihiga. Eristatakse kahte tüüpi MOP-transistore. Kui juhtiv kanal on juba pooljuhti moodustatud, siis on tegemist formeerkanaliga väljatransistoriga. Teise klassi moodustavad indutseerkanaliga väljatransistorid, millel tekib kanal alles seadise pingestamisel. Indutseerkanaliga väljatransistorid on rohkem levinud, kuna nende valmistamisel on tehnoloogilisi protsesse vähem. Indutseerkanaliga väljatransistor on joonisel 3.21. Indutseerkanaliga transistori saamiseks moodustatakse p-juhtivusega räni aluskristalli kaks kõrglegeeritud n+-piirkonda, kuid juhtivat n-kanalit nende vahele ei tehta. Kahe n+-piirkonna vaheline ränikristalli pind kaetakse oksiidikihiga, mis omakorda kaetakse õhukese alumiiniumikihiga, tekib pais.

UGS > 0 S

n+

UDS > 0 G

n-kanal

Al D

n+

SiO2

B

p-alus

D G

n-kanaliga

D B G

p-kanaliga

B S

S

Joonis 3.21. Indutseerkanaliga MOP-transistori ehitus ja tingmärgid Juhul kui paisul pinge puudub, on struktuuris kaks vastupingestatud dioodi (pn+-siiret). paluskristallis on positiivsed laengukandjad ­ augud ­ ülekaalus, kuid seal leidub ka negatiivseid laengukandjaid ­ elektrone. Teatavasti samanimelised laengud tõukuvad ja erinimelised tõmbuvad. Kui paisule pinget ei rakendata või teda negatiivselt pingestatakse, siis tõmbuvad paisu poole just augud kui vastandmärgilised laengud. Seega kasvab kahe n+-ala vaheline takistus veelgi. Transistor on täielikult sulgunud. Rakendades paisule positiivse pinge, hakkavad positiivsed laengud alumiiniumelektroodi pinnal p-juhtivusega pooljuhis tõmbama enese poole väheseid negatiivseid laenguid ja kõik augud surutakse paisust võimalikult kaugele. Sellega tekib paisu alla n-juhtivusega pooljuht ehk n-kanal. Kirjeldatud protsess hakkab toimuma, alates kindlast lävipingest UGS(th). Mida suurem positiivne pinge paisule rakendub, seda väiksemaks muutub transistori neelu ja lätte vaheline takistus. Pinget võib tõsta ainult teatud väärtuseni, et ei tekiks läbilööki paisu ja n-kanali vahel. MOP-transistoridel võib olla väljaviik B (ingl bulk) ehk kontakt aluskristalliga. Tavaliselt ühendatakse see toitepinge negatiivse pooluse külge. Juhul kui väljaviik B on korpustatud elemendist välja toodud, võib neelu ja lätet lugeda võrdseks (identseks). Tavaliselt ühendatakse aga kontakt B juba transistori korpuses lätte S külge, mistõttu tuleb lättel ja neelul vahet teha. Joonisel 3.22 on indutseeritava n-kanaliga MOP-väljatransistori ülekande- ja väljundtunnusjooned.

64

ID

ID

UGS = 4V UGS = 3V UGS = 2V UGS = 1V UGS = UGSth

UGS(th)

UGS a b

UDS

Joonis 3.22. Indutseeritud n-kanaliga MOP-väljatransistori ülekande- a ja väljundtunnusjoon b

Väljatransistori parameetrid · · · · · · Sulgepinge UGS(off) on pinge, mille juures kanal sulgub peaaegu täielikult. Lävipinge UGS(th) on pinge, millest alates hakkab MOP-transistori kanal avanema. Tõusuks S nimetatakse paisupinge, neeluvoolu tunnusjoone tõusu ehk neeluvoolu muutuse ja seda põhjustava paisupinge muutuse jagatist (mA/V). Võimsusvõimendustegur Gp on transistorastme väljund ja sisendvõimsuse suhe (dB) antud sagedusel. Väljundvõimsus Pout on suurim võimsus, mida selle transistoriga võimendusastmest või generaatorist on võimalik etteantud sagedusel saada. Mürateguri F sagedussõltuvuse laad on väljatransistoridel samasugune kui bipolaartransistoridel, kusjuures väärtuselt on pn-väljatransistori mürategur bipolaartransistoriga võrreldav ja MOPtransistoridel on see suurem. Kõrgetel sagedustel kipub väljatransistoride mürategur olema bipolaartransistoride omast suurem.

Väljatransistoridega ümberkäimisel tuleb neid kaitsta elektrostaatiliste potentsiaalide (hõõrdeelekter) eest. Taoliste lühiajaliste laengute potentsiaal võib tõusta mitme kilovoldini, mis hävitaks MOP-transistoris SiO2 dielektrikukihi hetkega ja transistor rikneks. MOP-transistorile loetakse ohtlikuks juba pingeid alates 30 V. Bipolaartransistorid taluvad märksa kõrgemaid pingeid, kuid kahjulikuks võib osutuda juba 150 V pinge. Elektrostaatiliste potentsiaalide eest kaitsmisel on soovitatav hoida väljatransistoride väljaviike lühises kuni transistori jootmiseni elektriskeemi. Transistoride jootmisel tuleb kasutada galvaaniliselt võrgust lahtisidestatud madalpingelisi (24 V) ning maandatud jootekolbe, selleks et jootekolvilt tulev juhuslik pinge(impulss) ei rikuks transistori siirdeid. Transistoride asendamisel tuleb valida sama piirsagedusega ja hajuvõimsusega transistor, mille elektroodipingete ja -voolude piirparameetrid ei ole väiksemad kui asendataval transistoril. Muidugi peab asendustransistor olema samast materjalist (Ge, Si, GaAs) ja samasuguse juhtivusega (bipolaartransistorid pnp, npn ja väljatransistorid n-kanaliga, p-kanaliga). Vooluülekandetegur ei ole tavaliselt kuigi määrav, kuid enam kui kahekordne see vahe ei tohiks olla. Väljatransistoride puhul on soovitav, et tõus S ei erineks samuti üle paari korra.

65

Transistoride tähistamine

Euroopa süsteem Pro Electron B F 321 S C FX 14

Teisend mõne parameetri osas või põhitüübist erinev korpus Tüübi järjenumber Liik (C ja D ­ väikese ja suure võimsusega madalsagedustransistor, F ja L ­ väikese ja suure võimsusega kõrgsagedustransistor, S ja U ­ väikese ja suure võimsusega lülitustransistor Materjal (A ­ germaanium, B ­ räni, C ­ galliumarseniid)

USA süsteem JEDEC 2N 2227 A

Teisend mõne parameetri osas Elektroonikatööstuse Assotsiatsiooni (IEA) registreerimisnumber Transistori tähis

Jaapani standard JIS-C-7012 2S C 3596 E

Täiustatud teisend või eriomadused Registreerimisnumber Liik (A kõrg- ja B madalsageduslik pnp-transistor, C ja D kõrg- ja madalsageduslik npn-transistor, I p- ja K n-kanaliga väljatransistor) Dioodi tähis

Transistoride korpused

Väikese võimsusega läbi-augu-montaazi transistoride korpuseid valmistatakse nii plastist kui metallist. Kõige levinum on TO-92 markeeringuga plastkest, tuntud on ka plekk-korpus markeeringuga TO-18 või SOT18 (joonis 3.23).

66

Joonis 3.23. Transistoride korpused TO-92 ja TO-18 (SOT18) Pindmontaazi väikese võimsusega transistoridel leiavad kõige enam kasutamist korpused markeeringutega SOT-23 ja SOT-223 (joonis 3.24).

Joonis 3.24. Transistoride korpused SOT-23 ja SOT-223 Suuremate hajuvõimsuste puhul vajavad transistorid märksa kogukamat korpust, läbi-augumontaazi puhul on levinud TO126, TO220 ja TO3 (TO204AA) korpused (joonis 3.25).

Joonis 3.25. Transistoride korpused TO126, TO220 ja TO3 (TO204AA) Pindmontaazi transistoridel kasutatakse suuremate hajuvate võimsuste puhul korpusi D-PAK ja D2-PAK (TO-263) (joonis 3.26). Väliskujult on korpused sarnased, kuid D2-PAK on ~3,8 mm laiem ja ~5,5 mm pikem.

67

Joonis 3.26. Transistoride korpused D-PAK ja D2-PAK (TO-263) Suure võimsusega kõrgsagedustransistoride korpused meenutavad pigem propelleri ja poldi hübriidi kui transistori. Sellised korpused kannavad markeeringuid SOT121, SOT123, TO61, TO111 (joonis 2.27).

Joonis 3.27. Transistoride korpused SOT123 ja TO61

Optronid

Optronid nagu releedki võimaldavad väikese elektrisignaaliga juhtida suuri võimsusi, tagades seejuures ahelate vahel hea galvaanilise lahtisidestuse. Kui releedes kasutati magnetvälja tüüritavate kontaktide sisse- ja väljalülitamiseks, siis optronites on selleks elektromagnetlaine, tavaliselt infrapunane kiirgus lainepikkusega 900...1200 nm. Optron koosneb kiirgusallikast, milleks kasutatakse valgusdioodi ja vastuvõtjat, milleks võib olla fotodiood, -türistor, -transistor või -takisti (joonis 3.28). Fototransistoriks sobib nii bipolaar-, ühesiirde- või MOP-transistor.

Joonis 3.28. Erineva ehitusega optroneid Optronite heaks omaduseks on toimekiirus. Fotodioodist ja valgusdioodist koosnev dioodoptron suudab edastada signaali, mille sagedus ulatub gigahertsidesse (pin-dioodide korral). Optronite abil saab edastada suvalist elektrisignaali, tagades signaaliallika ja vastuvõtja vahel hea elektrilise lahtisidestuse. Optronite isolatsioonitakistus on kümneid gigaoome, väike on ka läbivmahtuvus, tavaliselt 1 pF ringis. Seega puudub praktiliselt tagasiside võimalus. Fototransistorid on parema tundlikkusega, aga märksa madalsageduslikumad ja tagavad optronis parema vooluülekandeteguri.

68

Dioodoptroni vooluülekandetegur on tavaliselt alla 0,01, transistoroptroneil 0,3...20. Transistoroptronid on parema vooluülekandeteguriga, aga ka märksa mürarikkamad. Dioodoptrone ja transistoroptrone kasutatakse üldjuhul väikese võimsustarbega süsteemides enamasti infot (andmeid) sisaldavate elektrisignaalide ülekandeks. Türistoroptronid võimaldavad kontaktivabalt lülitada voole, mis küünivad kümnetesse ampritesse. Võib juhtuda, et kommuteeritav võimsus ületab tüürvõimsuse miljoneid kordi. Ümberlülitumiskiirus on aga tavaliselt madal, harilikult 50 µs. Fototakistiga optroneid iseloomustab pinge-voolu tunnusjoone hea lineaarsus ja madal müratase. Nende väljundtakistust saab muuta mõnest oomist kuni 100 M. Fototakistiga optronite puuduseks on nende madal toimekiirus, tavaliselt 0,01...1 sekundit, ja parameetrite suur temperatuurisõltuvus.

Türistorid

Eelnevalt vaadeldi bipolaartransistore, mis olid kolmekihilised struktuurid p, n ja p või n, p ja n. Türistorid on aga neljakihilised pooljuhtseadised (joonis 3.29 a). Olemuselt tüüritavad dioodid, millest tuleb ka nende peamine rakendusala tüüritavate elektronlülititena, mis sulgevad ja avavad nende poolt kontrollitavaid vooluahelaid. Türistore kasutatakse veel voolumuundureis.

Anood (A) Tüürelektrood (G)

E2

p n p n

p n p

C2

B2 B1

C1

Katood (K)

a b

n p n

E1

Joonis 3.29. Türistori tingmärk ja ehitus a ning transistoridest koosnev aseskeem b

Kuna türistor koosneb neljast kihist, siis saab teda vaadelda kui kahest bipolaartransistorist koosnevat seadist (joonis 3.29 b). Ka tavalist bipolaartransistori võib kasutada suurte võimsuste korral lülitina, kuid see pole eriti otstarbekas. Kui bipolaartransistor on küllastuses, jääb tema emitteri ja kollektori vahele väike pingelang ja võimsuskadu on pisike, kuid transistori avanemisel läbib kollektorivoolu väärtus kõiki punkte koormussirgel (joonis 3.17 b). Neile kollektorivooludele vastavad märgatavad pingelangud, mistõttu tekkiv võimsuskadu on suur, seda suurem, mida kiiremini toimub sisse- ja väljalülitamine. Neljakihilises pooljuhtseadises toimub aga lülitumine märksa kiiremini ja ka võimsuskadu on väiksem eeskätt taolisele struktuurile iseloomuliku pinge-voolu tunnusjoone pärast (joonis 3.30).

69

I

Ut max

Ut

U

Joonis 3.30. Türistori VA-karakteristik

Türistorid jagatakse katoodtüüritavateks ja anoodtüüritavateks. Katoodtüüritaval türistoril on tüürelektrood ühendatud sisemise p-kihiga ja anoodtüüritaval n-kihiga. Türistori tööpõhimõtte on järgmine: juhul kui türistor on päripingestatud, siis tüürelektroodile antud pingeimpulsiga pnpnstruktuur avaneb. Türistor jääb avatuks seni, kuni pinge türistori anoodi ja katoodi vahel kahaneb nullini või muutub vastupidiseks. Olemas on ka suletavaid türistore, mida on võimalik tüürimpulsi abil avada ja sulgeda.

Sümistor. Sümmeetriline türistor ehk sümistor (ingl triac) on sisuliselt kaks vastassuunas ühendatud türistori (joonis 3.31). Seega saab sümistoriga lülitada mõlemasuunalist pinget. Sümistoril puudub katood, mille asemel on kaks anoodi, mida tähistatakse tavaliselt A1 ja A2. Sümistor võib avaneda ainult negatiivse, ainult positiivse või nii negatiivse kui positiivse tüürimpulsi mõjul. Tuleb ainult jälgida kumma anoodi suhtes tuleb tüürimpulss, vastavalt tüübile positiivne või negatiivne, anda. Sümistore kasutatakse seadmetes, kus on vaja reguleerida vahelduvvoolu efektiivväärtust. Türistoride ja sümistoridega tüüritakse sadadesse kilovattidesse ulatuvaid võimsusi, pärivool võib olla sadu ampreid ja tööpinge tuhandeid volte. Sümistoride ja türistoride kasuks suurte voolude tüürimisel räägib nende pikk eluiga ja väike energiakadu üksikul elemendil.

I A1 A2 G A1

p3

G

n1 n2

p1

U

n3

A2

a

b

Joonis 3.31. Sümistori tingmärk ja ehitus a ja VA-karakteristik b

70

Information

Microsoft Word - Elektroonika komponendid.doc

71 pages

Find more like this

Report File (DMCA)

Our content is added by our users. We aim to remove reported files within 1 working day. Please use this link to notify us:

Report this file as copyright or inappropriate

543886