Elektronikkomponenter

Dioden

Transistorn (bipolär)

MOSFET

[redigera]

Teori

Symbol för en diod

Dioder av olika typer och storlekar

Dioden är en icke-linjär elektrisk komponent som idealt leder elektrisk ström i endast en riktning. Namnet kommer av att den har två elektroder, katod och anod. Ström kan bara gå från anod (pluspol) till katod (minuspol) - men inte tvärtom. Den första dioden var kristalldetektorn som användes i ljudradions barndom på 1920-talet. Dioder kan vara ett elektronrör, men numera är det vanligaste att dioden består av halvledare. En vanlig tillämpning av dioder är likriktning av växelström. Detta görs med en så kallad likriktarbrygga.

En vanlig halvledardiod består av halvledare, vanligen kisel, som i ena änden är p-dopad och i andra n-dopad. Skiktet mellan det p- och det n-dopade området kallas för en pn-övergång.

Dioder gjorda av dopat kisel börjar leda i framriktningen när spänningen över elektroderna överstiger ungefär 0,65 volt. Detta kallas framspänningsfall. En äldre typ, germanium-dioden har ett lägre framspänningsfall vilket kan vara användbart i vissa tillämpningar. Ett annat material som används är galliumarsenid som används i lysdioder och för dioder som ska fungera vid mycket höga frekvenser.

Om dioden backspänns, det vill säga att katoden läggs på en högre potential än anoden, så leds en mycket liten ström, läckström, genom dioden. Typiskt värde på denna kan vara ett fåtal μA för vanliga kiseldioder. Om backspänningen görs tillräckligt hög sker ett så kallat genombrott, och dioden börjar leda ström bra även i backriktningen, men skadas om strömmen inte är kraftigt begränsad.

Wikipedia skriver om diod

I elektronikkretsar används dioder för att skydda kretsen mot felpolarisering och för att likrikta växelspäning.

Läs den här artikeln på Kjell & Company om Dioder och lysdioder.

Titta på denna diodsimulering på Fahlstad.

Lär mer genom att läsa vad Wikipedia:Diode samt Wikipedia:Light-emitting_diode.

Laboration

Detta är en laborationsbeskrivning i cirka tjugo steg vilket kan synas detaljerat och noggrant beskrivet men det är omöjligt att beskriva utförandet i alla dess detaljer. Syftet med beskrivningen är att staka ut en väg som visar några fundamentala aspekter av dioder. Ett av målen är att träna dig i att dra slutsatser på egen hand och söka den information du behöver på egen hand genom att läsa datablad, googla, fråga andra och diskutera. Så arbetar även erfarna elektronikkonstruktörer.

Framspänningsfallet Lysdioder är praktiska för du ser när de är rätt inkopplade. Lysdioderna har olika längd på benen. Det längre benet ska kopplas till positiv spänning.

1. Använd Arduinon för att ge 5V späning och jord (GND). Koppla in din diod i serie med ett 220 Ohm motstånd. Motståndet är till för att skydda dioden mot för hög ström. Pröva nu att koppla flera dioder i serie. Hur många dioder kan du ha i serie?
2. Koppla lysdioden i serie med ett vridmotstånd. Mät hur hög spänningen är över dioden precis när den slocknar.
3. Google. Hur högt framspänningsfall har en lysdiod?
4. Skriv en förklaring av vad du har observerat i din rapport.

Backspänning och kalibrering

1. Vänd dioden och mät hur stor läckströmmen är vid 5 V.
2. Nu ska du mäta strömmen i framriktningen som funktion av spänningen. Det gör du genom att köra ett program på Arduinon som lägger ut en fix spänning.
3. Kalibrera genom att mäta spänningen över dioden och anteckna det utlagda värdet.
4. Upprepa för fyra värden i spannet 0 - 255.
5. Rita en graf för uppmätt spänning som funktion av utlagt värde från Arduinon.
6. Visar grafen en proportionerlig funktion?
7. Beräkna lutningskoefficienten och ange dess enhet.

// Exempelprogram: lägga ut en spänning
int ledPin = 9;      // LED connected to digital pin 9

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);  // sets the pin as output
}

void loop() {
  analogWrite(ledPin, 128); // analogWrite values go from 0 to 255. Change it as you like.
}

IV-karakteristik En IV-karakteristik är en mätning av strömmen som funktion av spänningen.

1. Vänd dioden så strömmen går i framriktningen. Dioden lyser då du kopplar den till 5 V.
2. Sedan mäter du strömmen (mät i serie) som går genom dioden vid många olika spänningar.
3. Ställ in olika värden på spänningen från Arduinon och upprepa mätningen av strömmen.
4. Du bör nu ha en tabell med datapunkter för ström och Arduinospänning.
5. Granska dina data. Behöver du göra fler mätningar?
6. Skapa en graf över dina data.
7. Är det ett linjärt förhållande mellan ström och spänning?
8. Skriv en observation med reflektion och förklaring i din laborationsrapport.

Upprepa IV-karakteristiken med en konventionell diod (icke lysande)

1. Upprepa alla steg utom det första i mätningen ovan.

Nu är du klar med första delen av laborationen.

[redigera]

Teori

Diskreta transistorer av olika typer och storlekar
NPN Symbol för bipolär NPN transistor	PNP Symbol för bipolär PNP transistor

Transistor är en halvledarkomponent som används som signalförstärkare, strömbrytare, spänningsreglerare och för signalmodulering, men även andra applikationer förekommer. Den fungerar som en varierbar "ventil" som styr en utspänning eller utström baserat på en inspänning eller inström. Transistorer tillverkas som diskreta komponenter eller som delar av integrerade kretsar.

Transistorer kan delas in i två huvudtyper, bipolära transistorer baserade på PN-övergångar (NPN eller PNP polaritet) samt unipolära fälteffekttransistorer (N-kanal eller P-kanal).

En transistor har vanligen tre anslutningar (elektroder) som, i simpla termer, tillåter en spänning eller ström på en av anslutningarna att styra strömflödet genom de två andra. Man kan också se det som att det är en resistans som kan påverkas av en elektrisk ström eller spänning. Transistorn är en nyckelkomponent inom modern elektronik. I digitala kretsar verkar flera sammankopplade transistorer som snabba omkopplare och bygger därigenom upp till exempel Logisk grind och RAM (arbetsminne). I analoga kretsar används transistorer för linjära eller icke linjära förstärkare samt för många andra (mestadels) kontinuerliga funktioner som byggs upp tillsammans med passiva komponenter.

Transistorn anses av många vara en av de största uppfinningarna i modern historia, i samma klass som boktryckarkonsten, bilen, och telefonen. Transistorer är nyckelkomponenter i nästan all modern elektronik. Den stora användningen av transistorer beror på att de är billiga att masstillverka genom högautomatiserade processer som driver ner kostnaden av en enskild transistor till nästan ingenting.

Bipolära transistorer görs i komplementära utföranden, så kallade polariteter, som är varandras spegelbild, det vill säga att strömmar och spänningar har motsatta tecken. De bipolära utförandena kallas NPN och PNP. I fråga om funktionssätt finns ingen skillnad mellan en PNP- och en NPN-transistor. Men den motsatta polariteten gör att strömmarna flyter i motsatt riktning.

Wikipedia skriver om Transistor

Laboration

BC547

1. Börja med en liten transistor. Den heter BC547. Googla fram ett datablad så du vet vilket ben som är vilket.
2. Det är mycket vanligt att man har en spänningsbrygga som reglerar spänning och ström till transistorns bas. Placera motstånden 1 kOhm och 5.6 kOhm i serie mellan Arduino 5v och jord. Det mindre motståndet ska alltså vara närmast 5V.
3. Anslut transistorns collector till 5V.
4. Emittern leder du till en lysdiod och vidare till jord. Diodens långa ben skall vara på den positiva sidan.
5. Om du gjort rätt lyser dioden.
6. Mät strömmen som går in i basen och strömmen som går in i collectorn. Kvoten anger transistorns förstärkning. Anteckna värdet.
7. Byt 1 k Ohm motståndet mot en vridpotentiometer. Nu kan du tända och släcka dioden.
8. Byt dioden mot en elmotor. Vad händer (inte). Fundera, testa, felsök och anteckna dina reflektioner.
   1. Mät spänningen över motorn.
   2. Mät strömmen genom motorn.
9. Prova nu att driva motorn med två BC547 i Darlingtonkoppling. Du kan själv ta reda på vad det är.
10. Anteckna dina observationer.

Andra transistorer av bipolärtyp (gör detta om du har tid)

1. Koppla in en transistor av PNP-typ för att tända lysdioden.
2. Se om det finns någon kraftigare bipolärtransistor som förmår driva motorn.

[redigera]

Teori

Vanliga symboler för MOSFET av utarmnings- respektive anrikningstyp.

MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) också känd som MOS[1] är en fälteffekttransistor, utan sådan PN-övergång i kanalen som i en bipolär transistor. En MOSFET består av en kanal med halvledarmaterial av n- eller p-typ och kallas med detta som grund för nMOSFET eller pMOSFET. Traditionellt används kisel som halvledarmaterial.

MOSFET är idag den totalt vanligaste och mest spridda transistortypen. Den förekommer i stort sett i alla sorters digital elektronik, inklusive mikroprocessorer och minnen. Med den moderna planarprocessen har tillverkningen av högdensitetskretsar (VLSI) förenklats.

Den stora utbredningen beror på att digitala kretsar baserade på MOSFET endast använder energi i själva övergångsögonblicket, då laddning i olika kapacitanser överförs, vilket betyder att energiförbrukningen är proportionell mot frekvensen. Med komplementär teknik, med p samt n-kanals MOS, görs CMOS som inte behöver tomgångsström utan har extremt låg energiförbrukning vid stillastående.

I n-kanals MOSFET går strömkanalen från drain till source. Om spänningen mellan styre och source är under en viss gränsspänning, är transistorn strypt. I en anrikningstyp är denna spänning nära noll volt. Om styrets spänning ökar, sker "anrikning" av rörliga elektroner i kanalen och transistorn leder allt bättre i ett tämligen linjärt område, tills den når ett bottnat läge, vid ett fåtal volt högre gate-source-spänning. I en p-kanals-MOSFET sker allt i motsatt riktning, dvs. source ansluts till positiv istället för negativ spänning.

Wikipedia skriver om MOSFET

Laboration

Vi har tidigare drivit en motor med Darlingtonkopplade bipolärtransistorer. Det finns sådana att köpa och andra transistorer som ger högre stömmar till att driva en motor men nu ska vi använda en kraftig MOSFET istället.

XXX

1. Googla fram ett datablad för XXX
2. Koppla in den på samma sätt som när du skulle driva motorn med bipolärtransistorn.
3. Kan du driva motorn nu?
4. Mät spänningen över motorn.
5. Mät strömmen genom motorn.
6. Reflektera. Vilka slutsatser kan du dra?

Nu är du klar med laborationen. Lämna in din rapport!