Podstawowe elementy elektroniczne

Elementy pasywne

Elementy pasywne, zwane też biernymi, to grupa najprostszych konstrukcyjnie podzespołów elektronicznych, stosowanych w każdym, nawet najmniej złożonym układzie elektronicznym. W ogólności komponenty te dzielimy na trzy grupy:

1. Rezystory,
2. Kondensatory,
3. Elementy indukcyjne.

W skrócie omówimy każdy z opisanych elementów.

Rezystory

Jak sama nazwa wskazuje, zasadniczym zadaniem rezystorów jest wprowadzanie do obwodu pewnej, ściśle określonej rezystancji (czyli oporu elektrycznego – stąd alternatywna, nieco przestarzała nazwa „oporniki”). Rezystory są wykonywane najczęściej w formie spirali, powstałej w wyniku nacinania cienkiej warstwy grafitu lub metalu, napylonego na powierzchnię ceramicznego walca. W montażu przewlekanym (SMT) stosuje się rezystory tworzone na bazie miniaturowych, ceramicznych płytek, także pokrytych warstwą przewodzącą. W zastosowaniach dużej mocy spotyka się także rezystory drutowe, produkowane poprzez nawinięcie określonej długości drutu na izolacyjny rdzeń. Podstawowymi parametrami każdego rezystora są: rezystancja nominalna (określana w omach, kiloomach lub megaomach, rzadziej w mili- i gigaomoach), tolerancja (wyrażona jako procentowy rozrzut rzeczywistych wartości rezystancji elementów tego samego typu i wynikający z niedoskonałości procesu produkcyjnego) oraz dopuszczalna moc strat (wyrażana w watach lub miliwatach). Do podstawowych zastosowań rezystorów należą: dzielniki napięcia, układy ograniczania maksymalnej wartości prądu w obwodzie oraz ustalanie warunków pracy innych elementów i układów elektronicznych (np. w postaci tzw. rezystorów podciągających).

Kondensatory

Kondensatory są w istocie prostymi magazynami energii elektrycznej o niewielkiej pojemności. Klasyczny, modelowy kondensator składa się z dwóch metalowych płytek (lub fragmentów folii, najczęściej aluminiowej), przedzielonych warstwą izolatora elektrycznego (dielektryka). Rozmiary (powierzchnia) płytek, zwanych też okładzinami, oraz odległość pomiędzy nimi (czyli grubość dielektryka) wyznaczają pojemność kondensatora. Wyrażamy ją w faradach i oznaczamy literą F. Aby umożliwić uzyskanie odpowiedniej wartości pojemności w zadanych wymiarach kondensatora, stosuje się przeróżne triki produkcyjne, z których najważniejszy okazuje się dobór rodzaju izolatora – jego przenikalność dielektryczna bezpośrednio wpływa na wartość pojemności oraz inne istotne parametry kondensatora. Co ważne, każdy kondensator charakteryzowany jest nie tylko przez nominalną pojemność (określaną w piko-, nano- lub mikrofaradach), ale tak że przez maksymalne napięcie, przy jakim może pracować. Przekroczenie tej wartości powoduje najczęściej nieuchronne uszkodzenie kondensatora poprzez przebicie warstwy dielektryka (na marginesie warto dodać, że niektóre rodzaje kondensatorów mają zdolność do „samoregeneracji” w pewnym ograniczonym zakresie). Popularne kondensatory ceramiczne i foliowe mogą pracować z dowolną polaryzacją napięcia, podczas gdy w przypadku kondensatorów elektrolitycznych konieczne jest zachowanie określonej przez producenta polaryzacji – odwrotne podłączenie powoduje uszkodzenie delikatnego dielektryka. Kondensatory stosuje się do filtracji napięcia zasilania oraz sygnałów analogowych, służą one także do odsprzęgania układów scalonych (tj. zapobiegania powstawaniu niepożądanych zakłóceń wewnątrz układu), a w niektórych przypadkach pracują nawet w roli niewielkich akumulatorów podtrzymujących zasilanie energooszczędnych układów cyfrowych.

Elementy indukcyjne

Elementy indukcyjne stanowią najbardziej rozbudowaną i zróżnicowaną funkcjonalnie grupę elementów elektronicznych. Powstają w wyniku nawijania metalowego drutu na tzw. karkas – cienkościenną rurkę z nieprzewodzącego materiału. Pod względem konstrukcyjnym dość niewiele różnią się od rezystorów drutowych, mają jednak inne właściwości z uwagi na stosowane najczęściej rdzenie ferromagnetyczne, umieszczane wewnątrz karkasu (wyjątek stanowią tzw. cewki powietrzne). Podobnie jak kondensatory, także cewki (zwane również dławikami) są w istocie magazynami energii. Tutaj jednak mamy do czynienia z energią zmagazynowaną w polu magnetycznym, a nie elektrycznym, stąd elementy indukcyjne inaczej zachowują się w obwodach zasilanych prądem przemiennym (lub – w ogólności – zmiennym). Proste cewki (dławiki) są stosowane do filtracji zakłóceń, przetwarzania energii elektrycznej (podwyższania, obniżania i odwracania wartości napięć stałych), a także do budowy obwodów rezonansowych w odbiornikach i nadajnikach radiowych. Co ważne, do elementów indukcyjnych należą też liczne rodzaje transformatorów (stosowanych głównie w obwodach zasilaczy sieciowych), a także specjalizowane podzespoły, złożone z dwóch lub więcej cewek. Warto pamiętać, że wszelkiego rodzaju silniki elektryczne, elektromagnesy i cewki przekaźników także stanowią przykłady nietypowych elementów indukcyjnych. Głównym parametrem cewek i dławików jest indukcyjność, wyrażana w henrach i oznaczana literą H.

Podstawowe elementy półprzewodnikowe

Elementy półprzewodnikowe powstają najczęściej na bazie specjalnie zmodyfikowanego, niezwykle czystego fizykochemicznie kryształu krzemu (Si). Wspomniana modyfikacja polega na domieszkowaniu, tj. „wstrzykiwaniu” w strukturę krystaliczną Si jonów innych pierwiastków, które zmieniają sposób przewodzenia prądu przez materiał, zaś odpowiednie ułożenie domieszkowanych obszarów pozwala na budowę tzw. złączy PN. Podstawową zaletą złącza jest zdolność przewodzenia prądu w jednym kierunku, a blokowania przepływu w kierunku przeciwnym. Tak działają diody półprzewodnikowe, stosowane m.in. w obwodach zasilaczy sieciowych jako prostowniki. Niektóre rodzaje diod wyróżniają się szczególnymi parametrami, np. diody Schottky’ego są w stanie reagować na bardzo szybkie zmiany napięcia, zaś diody Zenera mają zdolność stabilizowania napięcia na określonym poziomie (mówiąc o stabilizacji mamy na myśli przeciwdziałanie zmianom spadku napięcia na diodzie podczas sporych zmian wartości natężenia prądu). Z uwagi na zdolność „reagowania” na kierunki i wartości napięć, elementy półprzewodnikowe nazywamy często elementami nieliniowymi – „wyłamują” się one bowiem spod klasycznego prawa Ohma, słusznego dla elementów pasywnych. Pewna modyfikacja struktury złącza PN poprzez dołożenie doń kolejnego obszaru półprzewodnika doprowadziła do zbudowania tranzystora bipolarnego – element ten pozwala na sterowanie nawet dużym natężeniem prądu za pomocą prądu wielokrotnie mniejszego. Dlatego tranzystory są stosowane w układach wzmacniaczy oraz do sterowania dużymi obciążeniami za pomocą nawet niewielkich, delikatnych układów elektronicznych. W codziennej praktyce często wykorzystujemy też tranzystory polowe, w tym popularne i doskonałe pod wieloma względami tranzystory MOSFET. Oddały one nieocenione zasługi dla techniki cyfrowej, gdyż pozwoliły na budowę układów o bardzo niewielkim poborze mocy. Tranzystory MOSFET są też bardzo często wykorzystywane w układach dużej mocy, np. kontrolerach napędów w instalacjach przemysłowych oraz przetwornicach, stosowanych w m.in. na płytach głównych komputerów.

Układy scalone

Możliwość wykonywania struktur diod i tranzystorów w ramach pojedynczej płytki krzemowej nasunęła wybitnym elektronikom z lat 50. i 60. ub. wieku koncepcję stworzenia bardziej złożonego elementu półprzewodnikowego – układu scalonego. Zaczęło się niewinnie, od kilku tranzystorów „w jednym kawałku”, zaś ewolucja technologiczna doprowadziła do tego, że dziś w jednym procesorze pracuje nawet kilkadziesiąt miliardów mikroskopijnych tranzystorów MOSFET. Układy scalone stanowią fundament współczesnej elektroniki i skutecznie wypierają coraz to kolejne bloki funkcjonalne, tworzone z pojedynczych (dyskretnych) elementów. Oprócz układów analogowych, pełniących rolę wzmacniaczy, filtrów, mikserów (mieszaczy) oraz przełączników czy komparatorów (układów porównujących dwa napięcia), mamy pokaźną grupę układów cyfrowych, zwanych także logicznymi: bramki logiczne, przerzutniki, liczniki, rejestry przesuwne, dekodery i multipleksery – a to dopiero początek listy. Prawdziwa „zabawa” zaczyna się wtedy, gdy układ scalony możemy niemal dowolnie zaprogramować, zaprzęgając go do pracy według ściśle określonej listy instrukcji. Mowa oczywiście o mikokontrolerach i mikroprocesorach, które można dziś znaleźć niemal w każdym urządzeniu elektronicznym. Jeśli dołożyć do tego specjalizowane układy radiowe, pełniące rolę nadajników, odbiorników lub transceiverów (łączących obie te funkcjonalności) to okazuje się, że budowa niemal dowolnego urządzenia wymaga użycia zaledwie kilku układów scalonych. Co więcej, powszechnie dostępne minikomputery jednopłytkowe oferują tak olbrzymie możliwości, że budowa urządzeń elektronicznych często sprowadza się do… połączenia kilku gotowych modułów i napisania odpowiedniego programu.

Elementy stykowe i złącza

W krótkim artykule nie sposób przedstawić wszystkich najważniejszych elementów elektronicznych. Do opisanych powyżej podzespołów biernych i półprzewodnikowych powinniśmy, gwoli ścisłości, dodać jeszcze jedną grupę prostych, ale niezbędnych w praktyce komponentów. Wszelkiego rodzaju elementy stykowe (przełączniki, przyciski, przekaźniki, kontaktrony) oraz złącza (wtyki, gniazda, złącza płytka-płytka, etc.) są konieczne, aby móc podłączyć do naszego układu elektronicznego źródło energii oraz sygnały wejściowe i wyjściowe, a nawet by… włączyć zasilanie lub uruchomić określone funkcje urządzenia. Warto pamiętać, że elektronika korzysta z wielu nieopisanych w tym krótkim przeglądzie komponentów – wspomnijmy choćby o obszernej grupie elementów optoelektronicznych (diody LED, fototranzystory, fotodiody, fotorezystory, transoptory, wyświetlacze) czy też elementów służących do przełączania dużych obciążeń (triaki, tyrystory). Nie należy się jednak przerażać tym ogromem oferty producentów elektroniki. Tak naprawdę wszystkie bardziej złożone komponenty wykorzystują opisane przez nas we wcześniejszych artykułach podstawowe wielkości fizyczne i prawa elektroniczne, a – jak to zwykle bywa – w miarę zdobywania doświadczenia będziesz poznawał coraz to nowe odmiany elementów i uczył się wykorzystywać je w praktyce.