Dedykuję mojej rodzinie – Judy, Tony’emu, Pam oraz Masonowi,

a także szczególnej przyjaciółce Carol

Authorized translation from the English language edition, entitled Electrical Engineering: Principles & Applications, Global Edition, 7th Edition, by Alan Hambley, published by Pearson Education, Inc, publishing as Pearson, Copyright © 2018. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. Polish language edition published by Polish Scientific Publishers PWN, Copyright ©2023

Tłumacz: Andrzej Pułka – profesor Politechniki Śląskiej; Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki

Projekt okładki: Lidia Michalak-Mirońska

Ilustracja na okładce: spainter_vfx/iStock

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Małgorzata Kopczyńska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN S.A.:
Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w Internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Polskie Wydanie:

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2023

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2023r. (Wydanie I)

Warszawa 2023

ISBN 978-83-01-23088-3

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288; infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

TOM I

1

Wprowadzenie

1.1. Przegląd zagadnień związanych z elektrotechniką

1.2. Obwody, prądy i napięcia

1.3. Moc i energia

1.4. Pierwsze prawo Kirchhoffa

1.5. Drugie prawo Kirchhoffa

1.6. Elementy obwodu – wprowadzenie

1.7. Wprowadzenie do obwodów elektrycznych

Podsumowanie

Zadania

2

Obwody rezystancyjne

2.1. Szeregowe i równoległe połączenia rezystancji

2.2. Analiza obwodów z zastosowaniem równoważników szeregowych i równoległych

2.3. Dzielnik napięciowy i dzielnik prądowy

2.4. Metoda potencjałów węzłowych

2.5. Metoda prądów oczkowych

2.6. Obwody zastępcze Thévenina i Nortona

2.7. Zasada superpozycji

2.8. Mostek prądu stałego Wheatstone’a

Podsumowanie

Zadania

3

Indukcyjność i pojemność

3.1. Pojemności

3.2. Szeregowe i równoległe połączenia pojemności

3.3. Charakterystyki fizyczne kondensatorów

3.4. Indukcyjność

3.5. Szeregowe i równoległe połączenia indukcyjności

3.6. Rzeczywiste cewki indukcyjne

3.7. Indukcyjność wzajemna

3.8. Symboliczne całkowanie i różniczkowanie w środowisku MATLAB

Podsumowanie

Zadania

4

Stany nieustalone

4.1. Obwody RC pierwszego rzędu

4.2. Stan ustalony w obwodzie prądu stałego

4.3. Obwody RL

4.4. Obwody RC oraz RL zasilane źródłami dowolnego kształtu

4.5. Obwody drugiego rzędu

4.6. Analiza stanów nieustalonych w środowisku MATLAB z wykorzystaniem pakietu obliczeń symbolicznych

Podsumowanie

Zadania

5

Analiza stanów ustalonych w obwodach prądu sinusoidalnego

5.1. Sinusoidalnie zmienne prądy i napięcia

5.2. Wskazy (wartości symboliczne)

5.3. Impedancje zespolone

5.4. Analiza obwodów z użyciem wskazów oraz zespolonych impedancji

5.5. Moc w obwodach prądu przemiennego

5.6. Obwody zastępcze Thévenina i Nortona

5.7. Zrównoważone obwody trójfazowe

5.8. Analiza obwodów prądu przemiennego w środowisku MATLAB

Podsumowanie

Zadania

6

Charakterystyki częstotliwościowe, wykresy Bode’go i rezonanse

6.1. Analiza Fouriera, filtry oraz transmitancje

6.2. Filtry dolnoprzepustowe pierwszego rzędu

6.3. Skala decybelowa, połączenia kaskadowe i logarytmiczne skale częstotliwości

6.4. Wykresy Bodego

6.5. Filtry górnoprzepustowe pierwszego rzędu

6.6. Rezonans szeregowy

6.7. Rezonans równoległy

6.8. Filtry idealne i filtry drugiego rzędu

6.9. Wykresy Bodego w środowisku MATLAB

6.10. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów

Podsumowanie

Zadania

DODATKI

A

Liczby zespolone

Podsumowanie

Zadania

B

Wartości nominalne i kolorowy kod kreskowy do oznaczania rezystorów

C

Odpowiedzi do testów praktycznych z rozdziałów 1–6

TOM II

7

Układy logiczne

7.1. Podstawowe pojęcia dotyczące układów logicznych

7.2. Reprezentacja danych liczbowych w postaci binarnej

7.3. Kombinacyjne układy logiczne

7.4. Synteza układów logicznych

7.5. Minimalizacja układów logicznych

7.6. Sekwencyjne układy logiczne

Podsumowanie

Zadania

8

Komputery, mikrokontrolery oraz komputerowe systemy pomiarowe

8.1. Zasada działania komputera

8.2. Rodzaje pamięci

8.3. Cyfrowe sterowanie procesami

8.4. Model programowy rodziny układów HCS12/9S12

8.5. Lista rozkazów oraz tryby adresowania jednostki CPU12

8.6. Programowanie w języku asemblerowym

8.7. Podstawowe zagadnienia dotyczące miernictwa i czujników pomiarowych

8.8. Kondycjonowanie sygnałów

8.9. Konwersja analogowo-cyfrowa

Podsumowanie

Zadania

DODATKI

C

Odpowiedzi do testów praktycznych z rozdziałów 7–8

TOM III

9

Diody

9.1. Zasada działania diody półprzewodnikowej

9.2. Analiza obwodów zawierających diodę w oparciu o prostą obciążenia

9.3. Układy stabilizacji napięcia zawierające diodę Zenera

9.4. Model idealnej diody

9.5. Odcinkowo-liniowe modele diody

9.6. Układy prostownikowe

9.7. Układy kształtujące przebiegi

9.8. Małosygnałowe, liniowe obwody zastępcze

Podsumowanie

Zadania

10

Wzmacniacze: dane techniczne i charakterystyki zewnętrzne

10.1. Podstawowe pojęcia dotyczące wzmacniacza

10.2. Wzmacniacze kaskadowe

10.3. Zasilanie i sprawność

10.4. Dodatkowe modele wzmacniaczy

10.5. Znaczenie impedancji wzmacniacza w różnych zastosowaniach

10.6. Wzmacniacze idealne

10.7. Odpowiedź częstotliwościowa

10.8. Zniekształcenia liniowe przebiegów

10.9. Odpowiedź impulsowa

10.10. Charakterystyka przejściowa i zniekształcenia nieliniowe

10.11. Wzmacniacze różnicowe

10.12. Napięcie niezrównoważenia, prąd polaryzacji i prąd niezrównoważenia

Podsumowanie

Zadania

11

Tranzystory polowe

11.1. Tranzystory NMOS i PMOS

11.2. Analiza obwodu z prostym wzmacniaczem NMOS w oparciu o prostą obciążenia

11.3. Układy polaryzacji

11.4. Małosygnałowe obwody zastępcze

11.5. Wzmacniacze ze wspólnym źródłem

11.6. Wtórniki źródłowe

11.7. Bramki logiczne CMOS

Podsumowanie

Zadania

12

Tranzystory bipolarne

12.1. Zależności między prądem a napięciem

12.2. Charakterystyki układu ze wspólnym emiterem

12.3. Analiza układu wzmacniacza ze wspólnym emiterem w oparciu o prostą obciążenia

12.4. Tranzystory bipolarne typu pnp

12.5. Modele stałoprądowych układów wielkosygnałowych

12.6. Wielkosygnałowa analiza stałoprądowa układów z tranzystorami bipolarnymi

12.7. Małosygnałowe układy zastępcze

12.8. Wzmacniacze ze wspólnym emiterem

12.9. Wtórniki emiterowe

Podsumowanie

Zadania

13

Wzmacniacze operacyjne

13.1. Idealne wzmacniacze operacyjne

13.2. Wzmacniacze odwracające fazę

13.3. Wzmacniacze nieodwracające fazy

13.4. Projektowanie prostych wzmacniaczy

13.5. Niedoskonałości wzmacniaczy operacyjnych w liniowym obszarze pracy

13.6. Ograniczenia nieliniowe

13.7. Niedoskonałości stałoprądowe

13.8. Wzmacniacze różnicowe i pomiarowe

13.9. Układy całkujące i różniczkujące

13.10. Filtry aktywne

Podsumowanie

Zadania

DODATKI

C

Odpowiedzi do testów praktycznych z rozdziałów 9–13

TOM IV

14

Obwody magnetyczne i transformatory

14.1. Pola magnetyczne

14.2. Obwody magnetyczne

14.3. Indukcyjność i indukcyjność wzajemna

14.4. Materiały magnetyczne

14.5. Transformatory idealne

14.6. Transformatory rzeczywiste

Podsumowanie

Zadania

15

Maszyny (silniki) prądu stałego

15.1. Informacje ogólne o silnikach (elektrycznych)

15.2. Podstawy działania stałoprądowych silników elektrycznych

15.3. Uruchamianie silników prądu stałego

15.4. Silniki prądu stałego: bocznikowy i wzbudzany oddzielnie

15.5. Szeregowo połączone silniki prądu stałego

15.6. Sterowanie prędkością silników elektrycznych

15.7. Generatory napięcia stałego

Podsumowanie

Zadania

16

Maszyny (silniki) prądu zmiennego

16.1. Trójfazowe silniki indukcyjne

16.2. Obwody zastępcze oraz obliczanie wydajności silników indukcyjnych

16.3. Silniki synchroniczne

16.4. Silniki jednofazowe

16.5. Silniki krokowe i bezszczotkowe silniki prądu stałego

Podsumowanie

Zadania

DODATKI

C

Odpowiedzi do testów praktycznych z rozdziałów 14–16

Skorowidz

Przedmowa

Podobnie jak w poprzednich wydaniach, podczas pisania tej książki kierowałem się swoją filozofią, w której brałem pod uwagę trzy czynniki. Pierwszym z nich jest moje przekonanie, że na dłuższą metę studenci najwięcej korzystają, ucząc się podstawowych pojęć na ogólnych przykładach. Po drugie, uważam, że studenci powinni być zmotywowani, widząc, jak te zasady można zastosować do konkretnych i interesujących zagadnień w ich własnych dziedzinach. Trzecim elementem mojej filozofii jest wykorzystywanie każdej okazji, by nauka nie była dla studenta frustrująca.

Ta książka obejmuje takie zagadnienia jak: analiza obwodów, systemy cyfrowe, elektronika oraz elektromechanika na poziomie odpowiednim zarówno dla studentów elektrotechniki na kursie wprowadzającym, jak i dla osób niebędących inżynierami na kursie ogólnym. Jedyne niezbędne wymagania wstępne to znajomość podstaw fizyki i matematyki. Prowadzenie zajęć z wykorzystaniem tej książki umożliwi rozwinięcie umiejętności teoretycznych i eksperymentalnych oraz doświadczenia w następujących dziedzinach:

• podstawy analizy obwodów i miernictwa elektrycznego,

• analiza stanów nieustalonych w obwodach pierwszego i drugiego rzędu,

• analiza stanów ustalonych w obwodach prądu zmiennego,

• rezonanse i odpowiedź częstotliwościowa,

• układy logiki cyfrowej,

• mikrokontrolery,

• komputerowe systemy pomiarowe,

• obwody diodowe,

• wzmacniacze elektroniczne,

• tranzystory polowe i bipolarne,

• wzmacniacze operacyjne,

• transformatory,

• maszyny prądu stałego i zmiennego.

• wspomagana komputerowo analiza obwodów z wykorzystaniem środowiska programu MATLAB.

Chociaż w książce położono nacisk na podstawowe pojęcia, kluczową cechą jest zamieszczenie krótkich przykładów pokazujących, w jaki sposób koncepcje elektrotechniczne są stosowane w innych dziedzinach. Tematy tych artykułów to m.in.: przetwarzanie sygnałów w przeciwstukowych silnikach spalinowych, stymulator serca, aktywna kontrola hałasu oraz zastosowanie znaczników RFID w badaniach nad rybołówstwem.

Zachęcam do zgłaszania uwag przez czytelników tej książki. Szczególnie cenne są informacje o tym, jak można ją ulepszyć. Wezmę je pod uwagę, pracując nad kolejnymi wersjami książki.

Mój adres e-mail to: arhamble@mtu.edu

Zasoby dla instruktora

Zasoby dla nauczyciela (instruktora) zawierają:

• MasteringEngineering. Dedykowany program do generowania prac domowych online pozwala na zintegrowanie dynamicznych zadań domowych z automatycznym ocenianiem i spersonalizowaną informacją zwrotną. MasteringEngineering pozwala na łatwe śledzenie wyników całej grupy studenckiej na podstawie poszczególnych zadań lub analizowanie pracy indywidualnej poszczególnych studentów.

• Kompletny podręcznik użytkowania systemu przez instruktora.

• Prezentację slajdów w PowerPoint, które zawierają wszystkie rysunki zamieszczone w książce

WYMAGANIA WSTĘPNE

Niezbędne warunki wstępne jakie musi spełnić student, by korzystać z kursu zawartego w tej książce, to podstawy fizyki i rachunek jednej zmiennej. Znajomość zagadnień dotyczących równań różniczkowych byłaby pomocna, ale nie jest niezbędna. Równania różniczkowe są stosowane w rozdziale 4 dotyczącym analizy stanów nieustalonych, ale potrzebne umiejętności wynikają z podstawowego rachunku.

Elementy dydaktyczne książki

Książka zawiera różne elementy dydaktyczne mające na celu pobudzenie zainteresowania studentów, wyeliminowanie frustracji oraz uświadomienie im znaczenia materiału dla wybranego przez nich zawodu. Te elementy dydaktyczne to:

• Każdy rozdział otwiera zestawienie głównych celów kształcenia.

• Komentarze znajdujące się na marginesach podkreślają i podsumowują najistotniejsze zagadnienia lub wskazują na typowe błędy i pułapki, których studenci powinni unikać.

• Krótkie artykuły w ramkach pokazują, jak zasady elektrotechniki znajdują zastosowania w innych dziedzinach inżynierii, jak na przykład artykuły dotyczące aktywnego tłumienia hałasu i elektronicznych rozruszników serca.

• Procedury rozwiązywania problemów są prezentowane krok-po-kroku. Są to na przykład: podsumowanie rozwiązania opartego na metodzie potencjałów węzłowych pokazuje kolejne etapy analizy zadania lub podsumowanie obliczeń obwodów zastępczych Thévenina.

• Test praktyczny znajdujący się na końcu każdego rozdziału daje studentom możliwość sprawdzenia swojej wiedzy. Odpowiedzi są zamieszczone w Dodatku C.

• Na końcu każdego rozdziału znajdują się podsumowania najważniejszych zagadnień poruszanych w rozdziale. Stanowią one dodatkowy punkt odniesienia dla studentów.

• Kluczowe równania są wyróżnione w książce, aby zwrócić uwagę na ważne wyniki.

Zawartość merytoryczna i organizacja treści książki

Układy i urządzenia elektroniczne

W rozdziale 9 przedstawiono diodę, jej różne modele, analizę obwodu diodowego opartą na prostej obciążenia oraz układy zawierające diody, takie jak prostowniki, regulatory z diodą Zenera oraz falowody.

W rozdziale 10 omówiono z perspektywy użytkownika specyfikacje i niedoskonałości wzmacniaczy, które należy uwzględniać w praktycznych zastosowaniach. Obejmują one takie elementy, jak wzmocnienie, impedancja wejściowa, impedancja wyjściowa, efekty obciążenia, charakterystyka częstotliwościowa, charakterystyka impulsowa, zniekształcenia nieliniowe, tłumienie zakłóceń wspólnych oraz prąd i napięcie niezrównoważenia.

W rozdziale 11 omówiono tranzystor polowy MOS, jego charakterystyki, analizę z wykorzystaniem prostej obciążenia, modele wielkosygnałowe i małosygnałowe, układy polaryzacji, wzmacniacz ze wspólnym źródłem oraz układ wtórnika źródłowego.

W rozdziale 12 w podobny sposób omówiono tranzystory bipolarne. W razie potrzeby kolejność rozdziałów 11 i 12 może być odwrócona. Można też pominąć większą część obu rozdziałów, aby poświęcić więcej czasu na inne zagadnienia.

W rozdziale 13 omówiono wzmacniacz operacyjny i wiele jego zastosowań. Osoby niebędące studentami mogą się z niego nauczyć wystarczająco dużo, aby samodzielnie zaprojektować do własnych zastosowań układ pomiarowy zawierający wzmacniacze operacyjne.

Podziękowania

Pragnę podziękować moim kolegom z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej na Uniwersytecie Technologicznym Michigan, którzy okazali mi pomoc i zachętę przy pisaniu tej książki oraz w innych moich projektach.

Otrzymałem wiele wspaniałych rad od profesorów z innych instytucji, którzy na przestrzeni lat recenzowali manuskrypt na różnych etapach jego powstawania. Rady te w znacznym stopniu przyczyniły się do poprawy ostatecznej wersji książki. Jestem im wdzięczny za tę pomoc.

Recenzenci niniejszej książki oraz jej poprzednich wydań to:

Ibrahim Abdel-Motaled, Northwestern University

William Best, Lehigh University

Steven Bibyk, Ohio State University

D. B. Brumm, Michigan Technological University

Karen Butler-Purry, Texas A&M University

Robert Collin, Case Western University

Joseph A. Coppola, Syracuse University

Norman R. Cox, University of Missouri at Rolla

W. T. Easter, North Carolina State University

Zoran Gajic, Rutgers University

Edwin L. Gerber, Drexel University

Victor Gerez, Montana State University

Walter Green, University of Tennessee

Elmer Grubbs, New Mexico Highlands University

Jasmine Henry, University of Western Australia

Ian Hutchinson, MIT

David Klemer, University of Wisconsin, Milwaukee

Richard S. Marleau, University of Wisconsin

Sunanda Mitra, Texas Tech University

Phil Noe, Texas A&M University

Edgar A. O’Hair, Texas Tech University

John Pavlat, Iowa State University

Clifford Pollock, Cornell University

Michael Reed, Carnegie Mellon University

Gerald F. Reid, Virginia Polytechnic Institute

Selahattin Sayil, Lamar University

William Sayle II, Georgia Institute of Technology

Len Trombetta, University of Houston

John Tyler, Texas A&M University

Belinda B. Wang, University of Toronto

Carl Wells, Washington State University

Al Wicks, Virginia Tech

Edward Yang, Columbia University

Subbaraya Yuvarajan, North Dakota State University

Rodger E. Ziemer, University of Colorado, Colorado Springs

Przez lata wielu studentów i wykładowców korzystających z moich książek na Michigan Technological University i w innych miejscach zgłosiło wiele wartościowych sugestii dotyczących ulepszenia książek i poprawienia błędów. Bardzo im za to dziękuję. Jestem wdzięczny Julie Bai, moim obecnym i byłym redaktorom w wydawnictwie Pearson, za wskazywanie mi właściwego kierunku i za wiele wspaniałych sugestii, które w znacznym stopniu poprawiły moje książki. Szczególne podziękowania kieruję również do Scotta Disanno za wspaniałą pracę przy publikacji tego oraz poprzednich wydań tej książki. Dziękuję również Tony’emu, Pam i Masonowi za ich nieustającą zachętę i cenne spostrzeżenia. Dziękuję Judy, mojej zmarłej żonie, za wiele dobrych rzeczy, których lista jest tak obszerna, że nie sposób je wszystkie tutaj wymienić.

Allan R. Hambley

Podziękowania do wydania światowego

Wydawnictwo Pearson pragnie wyrazić wdzięczność następującym osobom zaangażowanym w pracę nad światową wersją wydania niniejszej książki.

Współpracownik

Sachin Jain, National Institute of Technology Warangal

Recenzenci

Papri Ghosh

Ajay Kumar, Coimbatore Institute of Technology

Nikhil Marriwala, University Institute of Engineering and Technology

Od polskiego Wydawcy

Oddajemy w Państwa ręce trzecią część opracowania z serii „Wprowadzenie do elektrotechniki i elektroniki”, która w oryginale została wydana przez Wydawnictwo Pearson jako jednotomowa pozycja pod tytułem „Electrical Engineering. Principles and Applications” (Seventh Edition, Global Edition).

Polskie wydanie postanowiliśmy podzielić na 4 części, wyróżnione tematycznie:

• Część 1. Podstawy analizy obwodów elektrycznych

• Część 2. Systemy cyfrowe

• Część 3. Układy i urządzenia elektroniczne

• Część 4. Elektromechanika

Każdą z części można traktować jako osobną pozycję. Można także potraktować serię jako komplementarny kurs – w zależności od potrzeb edukacyjnych.

Kilka uwag od tłumacza

Szanowny Czytelniku,

Niniejszy podręcznik Profesora Hambleya z Uniwersytetu Technicznego w Michigan stanowi bardzo ciekawe przedstawienie zagadnień dotyczących podstaw elektrotechniki, elektroniki oraz obwodów magnetycznych i maszyn elektrycznych. Autor prezentuje bardzo praktyczne podejście do wielu zagadnień, co jest niezwykle cenne dla studentów praktycznych kierunków inżynierskich i stanowi nieco odmienne ujęcie tematu niż w wielu książkach dostępnych na polskim rynku.

Trzecia część dotyczy podstawowych elementów elektronicznych wchodzących w skład nowoczesnych układów i systemów elektronicznych. Autor w przystępny i zwięzły sposób omawia diody półprzewodnikowe, tranzystory polowe i bipolarne oraz wzmacniacze operacyjne. Ponadto, wprowadza teoretyczne podstawy układów wzmacniających. Na szczególną uwagę zasługuje bardzo precyzyjne omówienie podstawowych parametrów i różnych rozwiązań układowych. Podobnie jak w poprzednich dwóch tomach, również w trzecim tomie dominuje praktyczne, inżynierskie podejście do omawianych zagadnień. Takie nasycenie treści odniesieniami do praktycznych zastosowań, ożywia treść i sprawia, że podręcznik jest bardzo atrakcyjną i wartościową pozycją dla studentów wielu współczesnych kierunków inżynierskich związanych z wykorzystaniem układów elektronicznych.

Podobnie jak w przypadku pierwszej części starałem się stosować terminologię przyjętą w literaturze polskiej, a równocześnie zachować styl i podejście autora.

Tłumacz

dr hab. inż. Andrzej Pułka, prof. Politechniki Śląskiej

ROZDZIAŁ 9

Diody

Przestudiowanie tego rozdziału pozwoli Ci:

• Zrozumieć działanie diod i wybrać diody odpowiednie do różnych zastosowań.

• Stosować technikę graficznej linii obciążenia do analizy obwodów nieliniowych.

• Analizować i projektować proste obwody regulatorów napięcia.

• Stosować model idealnej diody i modele liniowe do rozwiązywania obwodów.

• Zrozumieć różne obwody prostownicze i kształtujące fale.

• Rozumieć obwody zastępcze dla małych sygnałów.

Wprowadzenie do treści rozdziału

Obwody elektroniczne są przydatne do przetwarzania informacji i sterowania energią. Niektóre zastosowania obwodów elektronicznych to komputery, radio, telewizja, systemy nawigacyjne, ściemniacze światła, kalkulatory, urządzenia, układy sterowania maszyn, czujniki ruchu i sprzęt geodezyjny. Podstawowe wiadomości o obwodach elektronicznych są pomocne w pracy z aparaturą w każdej dziedzinie inżynierii. W kolejnych rozdziałach przedstawimy najważniejsze urządzenia elektroniczne, ich podstawowe zastosowania oraz kilka ważnych technik analizy. W tym rozdziale omówimy diodę.

9.1. Zasada działania diody półprzewodnikowej

Dioda jest podstawowym, ale bardzo ważnym elementem, który ma dwa zaciski – anodę i katodę. Symbol diody pokazano na rysunku 9.1(a), a typową charakterystykę prądowo-napięciową na rysunku 9.1(b). Jak widać na rysunku 9.1(a), napięcie vD na diodzie jest dodatnie na anodzie i ujemne na katodzie. Podobnie, prąd diody iD jest dodatni od anody do katody.

Diody łatwo przewodzą prąd od anody do katody (zgodnie z kierunkiem strzałki), ale nie pozwalają na przepływ prądu w przeciwnym kierunku.

Zauważmy na charakterystyce, że jeśli napięcie vD przyłożone do diody jest dodatnie, to przy małych napięciach płynie stosunkowo duży prąd. Taki stan nazywa się polaryzacją w kierunku przewodzenia. W związku z tym przez diodę łatwo płynie prąd w kierunku zgodnym z kierunkiem strzałki na symbolu obwodu.

Z kolei dla umiarkowanie ujemnych wartości vD, prąd iD ma bardzo małą wartość. Jest to tzw. obszar polaryzacji zaporowej, jak pokazano na charakterystyce diody. W wielu zastosowaniach zdolność diody do łatwego przewodzenia prądu w jednym kierunku, ale nie w kierunku przeciwnym, jest bardzo przydatna. Na przykład w samochodach diody umożliwiają ładowanie akumulatora prądem z alternatora, gdy silnik pracuje. Jednak gdy silnik się zatrzyma, diody zapobiegają rozładowaniu akumulatora przez alternator. W takich zastosowaniach dioda jest analogiczna do zaworu jednokierunkowego w układzie przepływu cieczy, jak pokazano na rysunku 9.1(d).

Jeżeli do diody zostanie przyłożone dostatecznie duże napięcie wsteczne, to dioda wchodzi w obszar przebicia w polaryzacji zaporowej i zaczynają płynąć prądy o dużych wartościach.

Jeżeli do diody zostanie przyłożone dostatecznie duże napięcie wsteczne, to dioda wchodzi w obszar przebicia przy polaryzacji zaporowej i zaczynają płynąć prądy

Rys. 9.1. Dioda półprzewodnikowa

o dużych wartościach. O ile moc rozpraszana w diodzie nie podnosi zbytnio jej temperatury, praca w przebiciu zaporowym nie jest destrukcyjna dla urządzenia. W rzeczywistości zobaczymy, że diody są czasami celowo eksploatowane w obszarze przebicia zaporowego.

Skrócony opis własności fizycznych diody

Skupimy się na omówieniu zewnętrznego zachowania diod i niektórych ich zastosowań w obwodach. Jednak w tym miejscu przedstawimy w skrócie wewnętrzne własności fizyczne diody.

Rozważane przez nas diody składają się z połączenia dwóch rodzajów materiału półprzewodzącego (zwykle jest to krzem z odpowiednio dobranymi domieszkami). Po jednej stronie złącza domieszki tworzą materiał typu n, w którym duża liczba elektronów porusza się swobodnie. Po drugiej stronie złącza domieszki innego rodzaju powodują powstanie (w efekcie) dodatnio naładowanych cząstek zwanych dziurami. Materiał półprzewodnikowy, w którym przeważają dziury, nazywany jest materiałem typu p. Większość diod składa się z połączenia materiału typu n i materiału typu p, jak pokazano na rysunku 9.1(c).

Nawet bez przyłożonego z zewnątrz napięcia, na złączu pn w sposób naturalny pojawia się bariera (granica) pola elektrycznego. Bariera ta zatrzymuje swobodne elektrony po stronie n i dziury po stronie p złącza. Jeśli do złącza n zostanie przyłożone zewnętrzne napięcie o dodatniej polaryzacji, bariera zostanie wzmocniona i nośniki ładunku nie będą mogły przekroczyć granicy złącza. W związku z tym praktycznie nie płynie prąd. Natomiast jeśli po stronie p przyłożone jest napięcie o dodatniej polaryzacji, bariera zmniejsza się i przez złącze płyną duże prądy. W ten sposób dioda przewodzi bardzo mały prąd dla jednej polaryzacji i duży prąd dla drugiej polaryzacji przyłożonego napięcia. Anoda odpowiada materiałowi typu p, a katoda – materiałowi typu n.

Diody pracujące z małymi sygnałami

Do produkcji diod stosuje się różne materiały i struktury. Na razie ograniczamy się do krzemowych diod małosygnałowych, które są najczęściej spotykane w układach elektronicznych małej i średniej mocy.

Charakterystyka typowej małosygnałowej diody krzemowej pracującej w temperaturze 300 K jest pokazana na rysunku 9.2. Zauważmy, że skale napięcia i prądu w obszarze polaryzacji w kierunku przewodzenia są inne niż w obszarze polaryzacji zaporowej. Jest to konieczne do wyświetlenia szczegółów charakterystyki, ponieważ wielkości prądu są znacznie mniejsze w obszarze z polaryzacją zaporową niż w obszarze z polaryzacją przewodzenia. Ponadto wielkości napięć w obszarze przewodzenia są znacznie mniejsze niż typowe napięcia przebicia.

W obszarze przewodzenia małosygnałowe diody krzemowe przewodzą bardzo mały prąd (znacznie mniejszy niż 1 mA) do momentu przyłożenia napięcia o wartości około 0,6 V (zakładając, że dioda znajduje się w temperaturze około 300 K). Następnie prąd rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem napięcia. Mówimy, że na charakterystyce w kierunku przewodzenia pojawia się kolano przy napięciu około 0,6 V. (Dokładna wartość napięcia kolana zależy od diody, jej temperatury i wielkości prądu. Typowe wartości to 0,6 lub 0,7 V). Wraz ze wzrostem temperatury napięcie kolana zmniejsza się o około 2 mV/K. (Ze względu na liniową zmianę napięcia w zależności od temperatury, diody są przydatne jako czujniki temperatury. Dioda jest zasilana prądem stałym,

Rys. 9.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa typowej małosygnałowej diody krzemowej w temperaturze 300 K. Zwróć uwagę na zmianę skali dla prądu i napięcia ujemnego

a napięcie na niej zależy od jej temperatury. Termometry elektroniczne używane przez lekarzy zawierają czujnik diodowy, wzmacniacze i inne układy elektroniczne, które sterują ciekłokrystalicznym wyświetlaczem temperatury).

W obszarze prądu wstecznego typowy prąd wynosi około 1 nA dla małosygnałowych diod krzemowych w temperaturze pokojowej. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta wielkość prądu wstecznego. Zasadą jest, że prąd wsteczny podwaja się każdorazowo przy wzroście temperatury o 10 K.

Po osiągnięciu przebicia wstecznego natężenie prądu bardzo szybko wzrasta. Napięcie, przy którym to następuje, nazywane jest napięciem przebicia. Na przykład napięcie przebicia dla charakterystyki diody pokazanej na rysunku 9.2 wynosi około –100 V. Wielkości napięcia przebicia wahają się od kilku do kilkuset woltów. W niektórych zastosowaniach wymagane są diody, które pracują w kierunku przewodzenia i kierunku zaporowym bez wchodzenia w obszar przebicia. Diody przeznaczone do takich zastosowań mają określoną minimalną wartość napięcia przebicia.

Równanie Shockleya

Przy pewnych założeniach upraszczających z rozważań teoretycznych wynika następująca zależność między prądem i napięciem dla diody złączowej:

(9.1)

Powyższe równanie jest znane jako równanie Shockleya. Prąd nasycenia Is ma wartość rzędu 10–14 A dla małosygnałowych diod złączowych w temperaturze 300 K. (Is zależy od temperatury, podwajając się co każde 5 K wzrostu temperatury dla urządzeń krzemowych). Parametr n, znany jako współczynnik emisji, przyjmuje wartości od 1 do 2, w zależności od szczegółów budowy diody. Napięcie VT jest określone wzorem

(9.2)

i jest nazywane napięciem termicznym. Temperaturę złącza w kelwinach reprezentuje symbol T. Ponadto k = 1,38 · 10–23 J/K jest stałą Boltzmanna, a q = 1,60 · 10–19 C jest wielkością ładunku elektrycznego elektronu. W temperaturze 300 K mamy VT ≅ 0,026 V.

Jeśli rozwiążemy równanie Shockleya dla napięcia diody, to okaże się, że

(9.3)

W przypadku małosygnałowych diod złączowych pracujących przy prądach przewodzenia od 0,01 µA do 10 mA równanie Shockleya z n równym jedności jest zwykle bardzo dokładne. Ponieważ wyprowadzenie równania Shockleya ignoruje kilka zjawisk, nie jest ono dokładne dla mniejszych lub większych prądów. Na przykład, w przypadku prądu wstecznego równanie Shockleya przewiduje iD ≅ – Is, ale zwykle okazuje się, że prąd wsteczny ma znacznie większą wartość niż Is (choć nadal niewielką). Co więcej, równanie Shockleya nie uwzględnia przebicia wstecznego.

Przy napięciu przewodzenia wynoszącym co najmniej kilka dziesiątych wolta, wykładnik w równaniu Shockleya jest znacznie większy od jedności; z dobrą dokładnością możemy napisać

(9.4)

Ta przybliżona postać równania jest często wygodniejsza w użyciu.

Czasami udaje się uzyskać użyteczne wyniki analityczne dla obwodów elektronicznych za pomocą równania Shockleya, ale zwykle bardziej przydatne są znacznie prostsze modele diod.

Rys. 9.3. Symbol diody Zenera

Diody Zenera

Diody przeznaczone do pracy w obszarze przebicia przy polaryzacji zaporowej nazywane są diodami Zenera. Diody Zenera są przydatne w zastosowaniach, w których pożądane jest stałe napięcie w obszarze przebicia. Dlatego producenci starają się zoptymalizować diody Zenera tak, aby ich charakterystyka w obszarze przebicia była prawie pionowa. W przypadku diod Zenera stosuje się zmodyfikowany symbol diody pokazany na rysunku 9.3. Diody Zenera są dostępne z napięciami przebicia, które są określone z tolerancją 5%.

Ćwiczenie 9.1. W temperaturze 300 K pewna dioda złączowa ma natężenie iD = 0,1 mA przy vD = 0,6 V. Przyjmując, że n jest równe jedności i VT = 0,026 V, wyznacz wartość prądu nasycenia Is. Następnie oblicz prąd diody przy vD = 0,65 V oraz przy 0,70 V.

Odpowiedź: Is = 9,50 · 10–15 A, iD = 0,684 mA, iD = 4,68 mA.

Ćwiczenie 9.2. Rozważmy diodę pracującą przy polaryzacji przewodzenia, tak aby obowiązywała przybliżona postać równania Shockleya (równanie (9.4)). Przyjmij, że VT = 0,026 V i n = 1. (a) O ile musi wzrosnąć wartość vD, aby podwoić natężenie prądu? (b) Aby natężenie prądu wzrosło 10-krotnie?

Odpowiedź: (a) ∆vD = 18 mV; (b) ∆vD = 59,9 mV.

Rys. 9.4. W przeciwieństwie do diod, oporniki mają liniową charakterystykę prądowo-napięciową