Θεωρία ημιαγωγών

Ενδογενείς ημιαγωγοί

Δομή του ατόμου

Σήμερα γνωρίζουμε ότι η ύλη αποτελείται από ενώσεις ατόμων, δημιουργώντας τις πολυάριθμες χημικές ενώσεις που υπάρχουν γύρω μας. Τα άτομα έχουν ένα κεντρικό πυρήνα που αποτελείται από νετρόνια και πρωτόνια και γύρω απ' αυτόν περιφέρονται τα ηλεκτρόνια σε στιβάδες. Τα πρωτόνια έχουν θετικό φορτίο και τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο, που τα φορτία τους είναι ίσα κατά απόλυτη τιμή. Τα νετρόνια είναι ουδέτερα ή δεν έχουν φορτίο. Αφού το άτομο είναι ουδέτερο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων του είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων του.

Αγωγοί – μονωτές

Στους αγωγούς, εν αντιθέσει με τους μονωτές, τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην εξωτερική στιβάδα (που ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους), είναι χαλαρά συνδεμένα με τον πυρήνα και έτσι μπορούν να διαφεύγουν περιφερόμενα μέσα στο σώμα του αγωγού. Χάρη σ' αυτό το φαινόμενο οφείλεται η διέλευση ηλεκτρικών φορτίων, δηλαδή η αγωγιμότητα των αγωγών. Για παράδειγμα ο χαλκός έχει υψηλή αγωγιμότητα, διότι στο άτομο του έχει ένα ηλεκτρόνιο στην εξωτερική στοιβάδα. Επειδή βρίσκεται τόσο μακριά από τον πυρήνα, ελάχιστα αντιλαμβάνεται την ελκτική δύναμη του και έτσι καταφέρνει και ξεφεύγει από το άτομο δημιουργώντας ένα σύνολο από ελεύθερα ηλεκτρόνια. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται εύκολα από το ένα άτομο στο άλλο και έτσι μπορούν να σχηματίσουν μεγάλο ρεύμα στον αγωγό με ελάχιστη τάση.

Ημιαγωγοί

Το γερμάνιο (Ge) και το πυρίτιο (Si) έχουν στο άτομο τους τέσσερα ηλεκτρόνια στη στιβάδα σθένους (εξωτερική στιβάδα) και είναι
 δυο παραδείγματα ημιαγωγών, όπως λέγονται, δηλαδή υλικών που δεν είναι ούτε αγωγοί αλλά ούτε μονωτές.

Όταν τα άτομα πυριτίου συνδυάζονται για να σχηματίσουν στερεό, διατάσσονται αυτόματα, σε μια κανονική δομή που λέγεται κρύσταλλος. Σ' αυτή τη δομή, κάθε ένα ηλεκτρόνιο της εξωτερικής στοιβάδας του ατόμου συνδέεται με ένα ηλεκτρόνιο από τα γειτονικά άτομα, σχηματίζοντας ομοιοπολικούς δεσμούς. Έτσι μ' αυτό τον τρόπο, το άτομο του πυριτίου καταφέρνει να συμπληρώσει την εξωτερική στοιβάδα με οκτώ ηλεκτρόνια, αποκτώντας χημική ευστάθεια.

Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, τα άτομα των κρυστάλλων εκτελούν τυχαίες ταλαντώσεις γύρω από τη θέση ισορροπίας τους. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος, τόσο μεγαλύτερο γίνεται το πλάτος αυτών των ταλαντώσεων. Έτσι ορισμένοι ομοιοπολικοί δεσμοί με θερμική διέγερση σπάζουν και το αποδεσμευμένο ηλεκτρόνιο αποκτά επιπλέον ενέργεια ώστε να γίνει ελεύθερο και να κινείται εύκολα στον κρύσταλλο. Η απομάκρυνση του ηλεκτρονίου αφήνει ένα κενό στη στιβάδα σθένους που λέγεται οπή. Αυτή η οπή συμπεριφέρεται σαν θετικό φορτίο, με την έννοια ότι μπορεί να έλκει και να συλλαμβάνει κάθε ηλεκτρόνιο σθένους που βρίσκεται σε γειτονικό άτομο, δημιουργώντας οπή σ' αυτό. Έτσι η οπή καταφέρνει να κινείται στο σώμα του ημιαγωγού, και η κίνηση της θα διακοπεί όταν «επανασυνδεθεί» με ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο και αλληλοεξουδετερωθούν.

Όταν εφαρμοστεί ένα ηλεκτρικό πεδίο στον ημιαγωγό, οι οπές θα κινηθούν με κατεύθυνση αντίθετη από εκείνη των ελεύθερων ηλεκτρονίων, σχηματίζοντας ηλεκτρικό ρεύμα. Έτσι σε ένα καθαρό ημιαγωγό, του οποίου όλα τα άτομα είναι ίδια, το ηλεκτρικό ρεύμα που το διαρρέει, έχει δυο ίσες συνιστώσες: ενός ρεύματος ηλεκτρονίων και ενός ρεύματος οπών, διότι σε ένα καθαρό ημιαγωγό, ο αριθμός των ελεύθερων ηλεκτρονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ελεύθερων οπών. Ένας τέτοιος ημιαγωγός ονομάζεται ενδογενής ημιαγωγός.

Σε έναν ημιαγωγό η συγκέντρωση (αριθμός/κυβικό εκατοστό) των ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών δεν αυξάνεται συνεχώς λόγω θερμικής διέγερσης. Ο μηχανισμός επανασύνδεσης, που είναι ανάλογος των συγκεντρώσεων τους, οδηγεί σε μια κατάσταση ισορροπίας όπου οι ρυθμοί γένεσης και επανασύνδεσης εξισώνονται. Αυτή η διαδικασία καθορίζει τις συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων και των οπών σε ένα καθαρό ημιαγωγό σε κάθε θερμοκρασία και κατ' επέκταση την αγωγιμότητα και ειδική αντίσταση του σε κάθε θερμοκρασία. Πρέπει να σημειωθεί ότι σε έναν καθαρό ημιαγωγό η αντίσταση ελαττώνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία.

Ημιαγωγοί Προσμίξεων

Οι ενδογενείς ημιαγωγοί έχουν ίσες συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών, γι' αυτό το λόγο οι εφαρμογές τους είναι περιορισμένες για το λόγο ότι η αντίσταση τους μεταβάλλεται πολύ έντονα όταν μεταβάλλεται η θερμοκρασία ή όταν φωτίζονται. Αν σε έναν ενδογενή ημιαγωγό προστεθεί μια πολύ μικρή ποσότητα ενός στοιχείου της τρίτης ή της πέμπτης ομάδας του περιοδικού πίνακα, ο ημιαγωγός αποκτά προσμίξεις. Η διαδικασία προσθήκης προσμίξεων ονομάζεται εμπλουτισμός και το υλικό εμπλουτισμένος ημιαγωγός. Σε ένα τέτοιο ημιαγωγό όπου οι προσμίξεις καθορίζουν τις συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων και των οπών, ο ημιαγωγός πάει να είναι ενδογενείς. Επειδή οι συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων και των οπών καθορίζονται πλέον από ένα εξωγενή παράγοντα, δηλαδή τις προσμίξεις, ο ημιαγωγός ονομάζεται εξωγενής ημιαγωγός. Το είδος των προσμίξεων που θα χρησιμοποιηθεί θα καθορίσει αν η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων θα είναι μεγαλύτερη από εκείνη των οπών ή συγκέντρωση των οπών μεγαλύτερη από εκείνη των ηλεκτρονίων. Στην πρώτη περίπτωση ο ημιαγωγός καλείται τύπου Ν και στη δεύτερη τύπου Ρ, από το γεγονός ότι τα φορτία που άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ηλεκτρόνια δηλ. αρνητικά ή οπές δηλ. θετικά, αντίστοιχα. Σε ένα τέτοιο ημιαγωγό οι προσμίξεις καταλαμβάνουν θέσεις των ατόμων του υλικού και σχηματίζουν δεσμούς.

Ημιαγωγοί τύπου Ν

Οι ημιαγωγοί τύπου Ν δημιουργούνται όταν σε ένα ημιαγωγό όπως το πυρίτιο ή το γερμάνιο προστεθεί πολύ μικρή ποσότητα ενός στοιχείου της πέμπτης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Τα στοιχεία που συνήθως χρησιμοποιούνται ως προσμίξεις είναι το αρσενικό, ο φώσφόρος και το αντιμόνιο ενώ η ποσότητα που απαιτείται είναι της τάξης μερικών μερών στο εκατομμύριο, δηλαδή σε κάθε ένα εκατομμύριο άτομα πυριτίου ή γερμανίου υπάρχουν μερικά άτομα αρσενικού ή φωσφόρου. Τα άτομα της πρόσμιξης ενσωματώνονται στην κρυσταλλική δομή του ημιαγωγού, καταλαμβάνουν θέσεις των ατόμων του και σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς με τα γειτονικά άτομα. Επειδή τα άτομα της πέμπτης ομάδας του περιοδικού πίνακα έχουν πέντε ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους, όταν καταλάβουν μια θέση σε ένα άτομο του ημιαγωγού θα χρησιμοποιήσουν τα τέσσερα για το σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών και θα παραμείνει αδιάθετο ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο θα περιφέρεται γύρω από τον πυρήνα της πρόσμιξης. Το ηλεκτρόνιο αυτό μπορεί, σε θερμοκρασία δωματίου, να απομακρυνθεί πολύ πιο εύκολα από ότι ένα ηλεκτρόνιο στον ενδογενή ημιαγωγό. Επειδή το πεντασθενές στοιχείο πρόσμιξης «δίνει» στον ημιαγωγό ηλεκτρόνια, ονομάζεται δότης. Στη συνέχεια το άτομο της πρόσμιξης ιονίζεται και αποκτά θετικό φορτίο. Επειδή η απομάκρυνση του ηλεκτρονίου από το δότη είναι πολύ πιο εύκολη από ότι από ένα άτομο του ημιαγωγού, έχουμε ελεύθερα ηλεκτρόνια από τον δότη, ενώ ο «δανεισμός» ενός ηλεκτρονίου από κάποιο γειτονικό άτομο θα είναι δύσκολος και έτσι έχουμε ελάχιστες οπές. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το θετικό φορτίο να παραμένει ακίνητο στο δότη και στον ημιαγωγό να κινούνται τα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Έτσι η προσθήκη δοτών έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχουν πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια και πολύ λίγες οπές στον ημιαγωγό. Συνεπώς σε ένα ημιαγωγό τύπου Ν το ηλεκτρικό ρεύμα μεταφέρεται κυρίως από ένα είδος φορτίου, τα ηλεκτρόνια, τα οποία ονομάζονται και φορείς πλειονότητας ή πλειοψηφίας. Αντίθετα οι οπές στους ημιαγωγούς τύπου Ν ονομάζονται φορείς μειονότητας ή μειοψηφίας. Τέλος η αύξηση της συγκέντρωσης των δοτών σε ένα ημιαγωγό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της συγκέντρωσης των ηλεκτρονίων και συνεπώς της αγωγιμότητας του.

Ημιαγωγοί τύπου Ρ

Οι ημιαγωγοί τύπου Ρ δημιουργούνται όταν σε ένα ημιαγωγό όπως, το πυρίτιο ή το γερμάνιο, προστεθεί πολύ μικρή ποσότητα ενός στοιχείου της τρίτης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Τα στοιχεία που χρησιμοποιούνται συνήθως ως προσμίξεις είναι το βόριο, το γάλλιο και το ίνδιο ενώ η ποσότητα που απαιτείται είναι, όπως και στους ημιαγωγούς τύπου Ν, της τάξης των μερικών μερών στο εκατομμύριο. Τα άτομα της πρόσμιξης καταλαμβάνουν θέσεις των ατόμων του ημιαγωγού. Επειδή τα άτομα της τρίτης ομάδας του περιοδικού πίνακα έχουν τρία ηλεκτρόνια στη στοιβάδα σθένους, όταν καταλάβουν μια θέση ενός ατόμου του ημιαγωγού, θα χρησιμοποιήσουν όλα τα ηλεκτρόνια σθένους για το σχηματισμό ομοιοπολικών δεσμών. Έτσι θα παραμείνει ένα γειτονικό άτομο του ημιαγωγού, το οποίο θα απαιτεί ένα ηλεκτρόνιο για να σχηματίσει την πλήρη δομή των οκτώ ηλεκτρονίων στην εξωτερική στοιβάδα του. Το απαιτούμενο ηλεκτρόνιο αυτό θα το «δανειστεί» από κάποιο γειτονικό άτομο του ημιαγωγού. Το ηλεκτρόνιο που θα καταλάβει, με αυτό τον τρόπο, την κενή θέση θα ιονίσει με αρνητικό φορτίο το άτομο της τρίτης ομάδας του περιοδικού πίνακα. Η διαδικασία αυτή αντιστοιχεί με την «απελευθέρωση» μιας οπής και επειδή τα άτομα αυτά αποδέχονται ένα ηλεκτρόνιο ονομάζονται αποδέκτες. Η δομή των δεσμών ενός αποδέκτη κάνει πολύ πιο εύκολη την απελευθέρωση μιας οπής από ότι μπορεί να συμβεί σε ένα άτομο του ημιαγωγού σε θερμοκρασία δωματίου. Το ηλεκτρόνιο που έχει καλύψει το έλλειμμα του δεσμού παραμένει ακίνητο στον αποδέκτη. Στους ημιαγωγούς τύπου Ρ υπάρχουν και ελεύθερα ηλεκτρόνια, των οποίων όμως η συγκέντρωση είναι πολύ μικρότερη από αυτή των οπών. Έτσι η προσθήκη αποδεκτών έχει ως αποτέλεσμα να υπάρχουν πολλές οπές και πολύ λίγα ελεύθερα ηλεκτρόνια στον ημιαγωγό. Σε ένα ημιαγωγό τύπου Ρ οι φορείς πλειονότητας είναι οπές, ενώ οι φορείς μειονότητας τα ηλεκτρόνια. Τέλος, η αύξηση της συγκέντρωσης των αποδεκτών σε ένα ημιαγωγό έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της συγκέντρωσης των οπών και συνεπώς της αγωγιμότητας του. Στους εξωγενείς ημιαγωγούς η τιμή της ειδικής αντίστασης είναι σταθερή σε μια ευρεία περιοχή θερμοκρασιών, εν αντιθέσει με τους ενδογενείς ημιαγωγούς που δεν είναι σταθερή. Αυτό προκύπτει από την ευκολία με την οποία παρέχουν φορείς οι δότες ή αποδέκτες σε ημιαγωγό τύπου Ν ή τύπου Ρ αντίστοιχα.

Το εξάρτημα: πηνίο

Μαγνητικό πεδίο

Όπως γνωρίζουμε από τον ηλεκτρομαγνητισμό, γύρω από ένα ρευματοφόρο αγωγό δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Μαγνητικό πεδίο είναι ο χώρος στον οποίο όταν ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο εισέρχεται σ΄αυτόν, του ασκείται μαγνητική δύναμη.

Το μαγνητικό πεδίο περιγράφεται από το διάνυσμα της έντασης του μαγνητικού πεδίου B και ορίζεται σε κάθε σημείο με τρόπο ώστε η δύναμη που δέχεται το κινούμενο φορτίο να δίνεται από τη σχέση: F=qvB και αυτή η μαγνητική δύναμη είναι κάθετη στην ταχύτητα του φορτίου και στην ένταση του μαγνητικού πεδίου.

Το μαγνητικό πεδίο παριστάνεται από τις μαγνητικές δυναμικές γραμμές, στις οποίες η ένταση του μαγνητικού πεδίου B είναι εφαπτόμενη σ΄αυτές και ανάλογη της πυκνότητας των μαγνητικών γραμμών.

Αποδεικνύεται πειραματικά ότι ένας ρευματοφόρος αγωγός παράγει μαγνητικό πεδίο γύρω του, τέτοιο, που οι δυναμικές του γραμμές του να σχηματίζουν ομόκεντρους κύκλους με τον αγωγό, που αραιώνουν καθώς απομακρυνόμαστε απ΄ αυτόν.

Αν πάρουμε ένα αγωγό και τον τυλίξουμε υπό μορφή πηνίου, η ένταση του μαγνητικού πεδίου «αθροίζεται» από κάθε τμήμα του αγωγού που αποτελεί το πηνίο. Έτσι σε ένα σωληνοειδές πηνίο μεγάλου μήκους, οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές είναι παράλληλες γραμμές στο εσωτερικό του (ομογενές μαγνητικό πεδίο) και σχεδόν μηδέν έξω απ' αυτό.

Μαγνητική επαγωγή

Σε ένα πηνίο το οποίο βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο, ορίζεται ένα μέγεθος που ονομάζεται μαγνητική ροή η οποία είναι ανάλογη των μαγνητικών γραμμών που διαπερνούν το πηνίο από την επιφάνεια του. Έτσι για ένα πηνίο επιφάνειας S που βρίσκεται μέσα σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έντασης Β, που ο άξονας του σχηματίζει γωνία φ με το διάνυσμα του μαγνητικού πεδίου, η μαγνητική ροή που διαπερνά το πηνίο είναι: Φ=ΒSσυνφ.

Σύμφωνα με τον νόμο του Faraday, όταν η μαγνητική ροή μέσα από ένα πηνίο μεταβάλλεται, αναπτύσσεται τάση εξ επαγωγής στα άκρα του. Έτσι όταν ένα πηνίο βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πηνίο, του οποίου η ένταση μεταβάλλεται κατά μέτρο ή διεύθυνση ή και τα δυο αναπτύσσεται τάση στα άκρα του.

Σε αυτή ακριβώς την ιδιότητα βασίζονται οι ηλεκτρογεννήτριες. Ένα πηνίο περιστρέφεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο που παράγει ένας μαγνήτης. Για το λόγο ότι η μαγνητική ροή που διέρχεται από το πλαίσιο μεταβάλλεται, (αφού αλλάζει ο προσανατολισμός του πλαισίου ως προς το μαγνητικό πεδίο) αναπτύσσεται σ' αυτό τάση εξ' επαγωγής.

Αυτεπαγωγή

Γνωρίζουμε ότι στο εσωτερικό ενός πηνίου που διαρρέεται από ρεύμα, δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Όταν μεταβάλλεται το ρεύμα στο πηνίο έχει ως αποτέλεσμα να μεταβάλλεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου, συνεπώς και η μαγνητική ροή που διέρχεται από το εσωτερικό του πηνίου. Έτσι σύμφωνα με το νόμο του Faraday αναπτύσσεται στο πηνίο τάση εξ επαγωγής. Ο κανόνας του Lentz δηλώνει ότι η επαγόμενη τάση στο πηνίο που οφείλεται στη μεταβολή του ρεύματος του ίδιου του πηνίου, έχει τέτοια πολικότητα ώστε να αντιστέκεται στην μεταβολή του ρεύματος που το διαρρέει.

Στο σχήμα ένα πηνίο συνδέεται με μια μεταβαλλόμενη πηγή τάσης δια μέσου ενός ροοστάτη. Καθώς το ρεύμα στο πηνίο αυξάνει η τάση εξ επαγωγής που αναπτύσσεται στο πηνίο έχει τέτοια πολικότητα που αντιστέκεται στην αύξηση του ρεύματος. Καθώς το ρεύμα στο πηνίο μειώνεται η τάση εξ επαγωγής που αναπτύσσεται στο πηνίο είναι τέτοια που τείνει να διατηρήσει το ρεύμα.

Δηλαδή η τάση στο πηνίο είναι V_L=-L(ΔΙ/Δt) όπου L ο συντελεστής της αυτεπαγωγής του πηνίου και εκφράζει πόσο έντονο είναι αυτό το φαινόμενο.

Μονάδα αυτεπαγωγής είναι το 1Henry. Επειδή είναι μεγάλη μονάδα αυτεπαγωγής χρησιμοποιούνται υποπολλαπλάσια του 1Η όπως το 1mF (10^-3F) το 1μΗ (10^-6Η) και τo 1nF (10^-9H).

Η αυτεπαγωγή ενός πηνίου εξαρτάται μόνο από τα γεωμετρικά χαρακτητιστηκά του και αυξάνεται με

• Τον αριθμό των σπειρών του πηνίου.
• Τη διάμετρο του πηνίου.
• Με την ύπαρξη σιδηρομαγνητικού υλικού στο εσωτερικό του.

Ισοδύναμη αυτεπαγωγή

Όταν δύο πηνία L₁ και L₂ είναι συνδεδεμένα σε σειρά, μπορούν να αντικατασταθούν απο ισοδύναμη αυτεπαγωγή (πηνίο) με τιμή το άθροισμα τους L₁+L₂.

Όμοια όταν Ν πηνία L₁, L₂, . . . , L_N είναι συνδεμένα σε σειρά, μπορούν να αντικατασταθούν από ισοδύναμη αυτεπαγωγή (πηνίο) L με τιμή το άθροισμα τους L₁+L₂+ . . . +L_N

Όταν δυο πηνία L₁ και L₂ είναι συνδεμένα παράλληλα, μπορούν να αντικατασταθούν από ισοδύναμη αυτεπαγωγή (πηνίο) με τιμή L₁L₂/(L₁+L₂)

Όμοια όταν Ν πηνία L₁, L₂, . . . , L_N είναι συνδεμένα παράλληλα, μπορούν να αντικατασταθούν από ισοδύναμη αυτεπαγωγή (πηνίο) για την οποία 1/L=1/L₁ + 1/L₂ + . . . +1/L_N

Είδη πηνίων

Τα πηνία διακρίνονται ανάλογα με τη χρήση τους σε πηνία χαμηλών (LF) ή πηνία υψηλών συχνοτήτων (RF) και ανάλογα με την κατασκευή τους σε σωληνοειδή και σε κυψελοειδή πηνία.
Πηνία υψηλών συχνοτήτων: Τα συναντούμε  στις συσκευές τηλεπικοινωνίας, όπως πομπούς και δέκτες ραδιοφώνου, ασυρμάτου κ.α. Τα βρίσκουμε σε μεγάλη ποικιλία μορφών με ή χωρίς πυρήνα, με μια ή περισσότερες στρώσεις, με απλή ή κυψελοειδή περιέλιξη κλπ.
Τα πηνία RF τα βρίσκουμε: 1)Στα κυκλώματα κεραίας τυλιγμένα γύρω από μια ράβδο φερρίτη που αποτελούν την κεραία του δέκτη (ραδιοφώνου ΑΜ) 2)Στα κυκλώματα ταλαντωτών που σε συνδυασμό ενός μεταβλητού πυκνωτή καθορίζουν την επιθυμητή συχνότητα ταλάντωσης. 3) Στα κυκλώματα ενδιάμεσης συχνότητας, που αποτελούν διατάξεις δυο πηνίων, για χρήση σύζευξης μεταξύ δυο ενισχυτικών βαθμίδων της ενδιάμεσης συχνότητας στους δέκτες.
Πηνία χαμηλών συχνοτήτων: Αυτά τα πηνία χαρακτηρίζονται από τις μεγάλες τιμές αυτεπαγωγής που κυμαίνονται από 0,2Η έως δεκάδες Henry που συναντιόνται σε κυκλώματα χαμηλών συχνοτήτων, εν σχέση με τα πηνία υψηλών συχνοτήτων που η αυτεπαγωγή τους κυμαίνεται από μερικά μΗ έως μερικές δεκάδες mH. Τα πηνία χαμηλών συχνοτήτων κατασκευάζονται με σιδηροπυρήνα για να πετυχαίνεται η υψηλή τιμή της αυτεπαγωγής. Τα πηνία αυτά χρησιμοποιούνται στις τροφοδοτικές διατάξεις για εξομάλυνση της ανορθωμένης τάσης, σαν στραγγαλιστικά πηνία (είναι πηνία που έχουν μεγάλο συντελεστή αυτεπαγωγής και χρησιμοποιούνται για να περιορίσουν ή να εμποδίσουν την διέλευση διαφόρων σημάτων). κλπ.

Μετασχηματιστής

Ένα σύστημα δυο πηνίων πάνω σε κοινό κλειστό σιδηροπυρήνα είναι ένας μετασχηματιστής που χρησιμοποιείται να ανυψώσει ή να υποβιβάσει τη τάση του εναλλασσόμενου ρεύματος. Το πηνίο στο οποίο δίνεται η τάση προς μετασχηματισμό ονομάζεται πρωτεύον ενώ το πηνίο από το οποίο παίρνουμε την μετασχηματισμένη τάση ονομάζεται δευτερεύον.

Όταν στα άκρα του πρωτεύοντος πηνίου ενός μετασχηματιστή εφαρμόσουμε μια εναλλασσόμενη τάση, τότε δημιουργείται ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο στο εσωτερικό του, το οποίο διερχόμενο από το δευτερεύον πηνίου, μέσω του κοινού πυρήνα τους, δημιουργεί μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή σ' αυτό με αποτέλεσμα να αναπτύσσεται τάση εξ επαγωγής στο δευτερεύον πηνίο του μετασχηματιστή.

Οι μετασχηματιστές χρησιμοποιούνται σήμερα σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές για τον μετασχηματισμό της εναλλασσόμενης τάσης του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, σε χαμηλότερες τάσεις που λειτουργούν οι συσκευές αυτές, π.χ. το μετασχηματισμό της τάσης του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας 220V σε τάση 12V που λειτουργεί ένα ραδιόφωνο.

Από τους νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού προκύπτει ότι, αν σε ένα μετασχηματιστή στον οποίο το πρωτεύον έχει Ν_π σπείρες και το δευτερεύον Ν_δ σπείρες, τροφοδοτήσουμε το πρωτεύον με τάση (ενεργός τιμή) V_π και πάρουμε τάση (ενεργός τιμή) V_δ στο δευτερεύον, ισχύει η σχέση: V_π/V_δ=N_π/Ν_δ. Έτσι αν ο αριθμός των σπειρών του δευτερεύοντος είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό σπειρών του πρωτεύοντος Ν_δ>Ν_π τότε ο μετασχηματιστής ανυψώνει την τάση, ενώ στην αντίθετη περίπτωση όπου Ν_δ<Ν_π έχουμε μετασχηματιστή υποβιβασμού τάσης.

Σε ένα ιδανικό μετασχηματιστή η ενέργεια που απορροφά το πρωτεύον αποδίδεται όλη στο δευτερεύον. Δηλαδή ισχύουν οι σχέσεις: P_π=Ρ_δ ==> V_πI_π=V_δΙ_δ ==> V_π/V_δ=I_δ/I_π Βλέπουμε ότι η τάση και η ένταση του ρεύματος μετασχηματίζονται αντίστροφα, δηλαδή όταν υποβιβάζεται η τάση, αυξάνεται η ένταση και όταν ανυψώνεται η τάση μειώνεται η ένταση του ρεύματος.

Σε ένα πραγματικό μετασχηματιστή η ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος που παίρνουμε από το δευτερεύον είναι πάντοτε μικρότερη από την ισχύ που απορροφά το πρωτεύον. Αυτό οφείλεται στις απώλειες που παρατηρούνται κατά την λειτουργία του μετασχηματιστή. Οι απώλειες ενός μετασχηματιστή εκφράζονται με το βαθμό απόδοσης του.

Ο βαθμός απόδοσης α ενός μετασχηματιστή είναι ο λόγος της ισχύος Ρ_δ που παίρνουμε από το δευτερεύον προς την ισχύ Ρ_π που δίνουμε στο προτεύον, δηλαδή α=Ρ_δ/Ρ_π

Ο ιδανικός μετασχηματιστής έχει βαθμό απόδοσης 1. Είναι όμως αδύνατον να κατασκευαστεί ένας τέτοιος μετασχηματιστής. Ο βαθμός απόδοσης ενός μετασχηματιστή κυμαίνεται συνήθως από 0,9 έως 0,95.

Απώλειες ενός μετασχηματιστή

Οι απώλειες ενός μετασχηματιστή μπορεί να οφείλονται:

Απώλειες στην αντίσταση του χαλκού. Επειδή το σύρμα χαλκού με τα οποία είναι κατασκευασμένα τα τυλίγματα του μετασχηματιστή παρουσιάζει αντίσταση, έχουμε απώλειες υπό μορφή θερμότητας στα τυλίγματα.

Απώλειες από κατανεμημένη χωρητικότητα: Μεταξύ των σπειρών καθώς και μεταξύ των στρώσεων των τυλιγμάτων αναπτύσσεται χωρητικότητα που ονομάζεται κατανεμημένη χωρητικότητα. Η κατανεμημένη χωρητικότητα στις χαμηλές συχνότητες λειτουργίας του μετασχηματιστή εμφανίζει πολύ μικρές απώλειες, ενώ σε υψηλότερες συχνότητες παίζει σημαντικό ρόλο.

Απώλειες που οφείλονται σε δινορρεύματα: Επειδή μεταβάλλεται η μαγνητική ροή μέσα στη μάζα του πυρήνα ενός μετασχηματιστή εμφανίζεται το φαινόμενο δημιουργίας ρευμάτων μέσα στον πυρήνα. Αποτέλεσμα είναι ότι μέρος της μεταφερόμενης ενέργειας να εμφανίζεται υπο μορφή θερμότητας στον πυρήνα του μετασχηματιστή.

Απώλειες από υστέρηση: Λόγω της συνεχούς μαγνήτισης και απομαγνήτισης του πυρήνα παρατηρούνται απώλειες που είναι ανάλογες με το εμβαδόν του βρόγχου υστερήσεως των ελασμάτων. Η ενέργγεια που χάνεται λόγω αυτού του φαινομένου εμφανίζεται υπο μορφή θερμότητας.

Απώλειες από σκεδάσεις: Λόγω της διασποράς των δυναμικών μαγνητικών γραμμών, μέρος των δυναμικών γραμμών που παράγει το πρωτεύον δεν περνά από το δευτερεύον, έτσι μέρος της ενέργειας του μαγνητικού πεδίου του πρωτεύοντος δεν μεταφέρεται στο δευτερεύον πηνίο του μετασχηματιστή.

Τοροειδείς μετασχηματιστές

Οι τοροειδείς μετασχηματιστές κατασκευάζονται με πηρήνα που έχει δακτυλιοειδή μορφή. Ο πυρήνας τους είναι συμπαγής (όχι από ελάσματα) και κατασκευάζεται από φερρίτη ή μίγματα σιδήρου και πυριτίου με προσμίξεις άλλων υλικών. Ο πυρήνας τους στην αρχή καλύπτεται μ' ένα φύλλο αλουμινίου και στη συνέχεια με μονωτικό υλικό.

Ακολουθεί η περιέλιξη του πρωτεύοντος πηνίου με ειδική μηχανική διάταξη. Αφού μονωθεί το πρωτεύον ακολουθεί η περιέλιξη του δευτερεύοντος. Το δευτερεύον τύλιγμα καλύπτεται επίσης με μονωτικό υλικό, ενώ συχνά τοποθετείται μεταλλικό κάλυμα στους τοροειδείς μετασχηματιστές.

Λόγω της δακτυλιοειδής μορφής του πυρήνα, έχουμε καλύτερες μαγνητικές και ηλεκτρικές ιδιότητες, ελάχιστες απώλειες, μεγαλύτερη αξιοπιστία. Επίσης, επειδή ο κλειστός μαγνητικός βρόγχος είναι σχεδόν ιδανικός, χρησιμοποιούμε σύρμα μικρότερου μήκους. Έτσι ο μετασχηματιστής έχει μικρότερο βάρος, μικρότερο όγκο και μικρότερη αντίσταση. Αποτέλεσμα είναι ότι έχουμε πολύ μικρότερες απώλειες υπό μορφή θερμότητας.

Ένα σημαντικό μειονέκτημα αυτών των μετασχηματιστών είναι η υψηλή τιμή τους εν σχέση με του κοινούς μετασχηματιστές.

Συμβολισμός πηνίων

Το εξάρτημα: πυκνωτής

Ορισμός

Ο πυκνωτής είναι ένα άλλο πολύ συχνά χρησιμοποιούμενο είδος ηλεκτρονικού εξαρτήματος. Ο πυκνωτής είναι ένα παθητικό ηλεκτρονικό εξάρτημα που αποτελείται από ένα σύστημα δυο αγώγιμων πλακών που βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους και ανάμεσα τους παρεμβάλλεται μονωτικό υλικό. Οι δυο αυτοί αγωγοί ονομάζονται οπλισμοί του πυκνωτή, ενώ το μονωτικό υλικό ονομάζεται διηλεκτρικό.

Η εφαρμογή μιας τάσης V σε ένα πυκνωτή έχει σαν αποτέλεσμα την αποθήκευση ηλεκτρικών φορτίων στους οπλισμούς του. Το φορτίο Q που φέρει κατ' απόλυτη τιμή ο κάθε οπλισμός του πυκνωτή λέγεται φορτίο του πυκνωτή και δίνεται από τη σχέση Q=CV όπου C το χαρακτηριστικό μέγεθος των πυκνωτών, που λέγεται χωρητικότητα. Συγκεκριμένα ο λόγος Q/V φορτίου προς τάση του πυκνωτή είναι σταθερός και ίσος με τη χωρητικότητα  του C.

Μονάδα χωρητικότητας είναι το Farad. Όταν ένας πυκνωτής φέρει φορτίο 1 Cb και είναι υπο τάση 1V, τότε η χωρητικότητα του είναι 1 Farad. Το ένα Farad είναι πολύ μεγάλη μονάδα μέτρησης της χωρητικότητας, γι' αυτό στην πράξη συνήθως χρησιμοποιoύμε υποπολλαπλάσια του: 1μF, 1nF, 1pF τα οποία ορίζονται ως εξής: 1μF=10^-6F , 1nF=10^-9F , 1pF=10^-12F.

Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του, δηλαδή το μέγεθος και την απόσταση των οπλισμών του και από τη φύση του διηλεκτρικού.

Ισοδύναμη χωρητικότητα

Όταν δύο πυκνωτές C₁ και C₂ είναι συνδεδεμένει παράλληλα, μπορούν να αντικατασταθούν απο ισοδύναμη χωρητικότητα (πυκνωτή) με τιμή το άθροισμα τους C₁+C₂.

Όμοια όταν Ν πυκνωτές C₁, C₂, . . . , C_N είναι συνδεμένεi παράλληλα, μπορούν να αντικατασταθούν από ισοδύναμη χωρητικότητα (πυκνωτή) C με τιμή το άθροισμα τους C₁+C₂+ . . . +C_N

Όταν δυο πυκνωτές C₁ και C₂ είναι συνδεμένει σε σειρά, μπορούν να αντικατασταθούν από ισοδύναμη χωρητικότητα (πυκνωτή)με τιμή C₁C₂/(C₁+C₂)

Όμοια όταν Ν αντιστάσεις C₁, C₂, . . . , R_N είναι συνδεμένει σε σειρά, μπορούν να αντικατασταθούν από ισοδύναμη χωρητικότητα (πυκνωτή) με τιμή C για τον οποίο 1/C=1/C₁ + 1/C₂ + . . . +1/C_N

Χαρακτηριστικά μεγέθη πυκνωτών

Η επιλογή ενός πυκνωτή για κάποιο τμήμα ενός κυκλώματος γίνεται με βάση τα χαρακτηριστικά του γνώρίσματα, που τα κυριότερα παρουσιάζονται ακολούθως:

Ονομαστική τιμή χωρητικότητα: Κάθε πυκνωτής σχεδιάζεται και κατασκευάζεται με συγκεκριμένη χωρητικότητα C, η οποία αναγράφεται στην επιφάνεια του πυκνωτή είτε με κώδικα χρωμάτων είτε με κώδικα γραμμάτων και αριθμών.

Ανοχή: Κατά την διαδικασία κατασκευής, η πραγματική χωρητικότητα του προκύπτον πυκνωτή αποκλίνει από την ονομαστική του τιμή. Τα όρια μέσα στα οποία επιτρέπεται η απόκλιση καθορίζεται με την ανοχή που αναγράφεται πάνω στους πυκνωτές σαν ποσοστό μεταβολής. Συνήθως η ανοχή κυμαίνεται στο 20%, 10% ή 5% ανάλογα τον τρόπο κατασκευής.

Τάση λειτουργίας: Είναι η μέγιστη συνεχής τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στον πυκνωτή συνεχώς, χωρίς να επιφέρει διάτρηση του διηλεκτρικού υλικού, δηλαδή την καταστροφή του πυκνωτή.

Αντίσταση μόνωσης: Επειδή το διηλεκτρικό ενός πυκνωτή δεν παρουσιάζει άπειρη αντίσταση, αλλά πολύ μεγάλη της τάξης των ΜΩ, εμφανίζεται ένα πολύ μικρό ρεύμα διαρροής που εκφορτίζει τον πυκνωτή. Έτσι τίθεται η αντίσταση μόνωσης, η οποία μετριέται σε ΜΩ Χ μF.

Συντελεστής θερμοκρασίας: Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή έχει εξάρτηση από την θερμοκρασία, κυρίως λόγω της μεταβολής της διηλεκτρικής σταθεράς του υλικού του πυκνωτή. Ο συντελεστής θερμοκρασίας δίνεται από την σχέση α=ΔC/(CΔΤ) όπου ΔC είναι η μεταβολή της χωρητικότητας αν μεταβληθεί η θερμοκρασία κατά ΔΤ και C η χωρητικότητα του πυκνωτή.

Ταξινόμηση πυκνωτών

Οι πυκνωτές διακρίνονται σε α)πυκνωτές σταθερής χωρητικότητας β)Μεταβλητής ή ρυθμιζόμενης χωρητικότητας.

Οι πυκνωτές σταθερής χωρητικότητας ταξινομούνται ανάλογα με το διηλεκτρικό τους σε πυκνωτές: Χάρτου, Μίκας, Κεραμικούς-γυαλιού, Πλαστικού. Επίσης μια άλλη κατηγορία πυκνωτών σταθερής τιμής είναι οι ηλεκτρολυτικοί που διακρίνονται σε Αλουμινίου και Τανταλίου.

Πυκνωτές χάρτου

Οι πυκνωτές χάρτου έχουν σαν διηλεκτρικό υλικό χαρτί, το οποίο εμπλουτίζεται με διάφορες μονωτικές ουσίες όπως παραφίνη, βερνίκια, έτσι ώστε να ρυθμίζονται οι διηλεκτρικές του ιδιότητες και το πάχος του. Οι οπλισμοί του κατασκευάζονται, στους φθηνούς από αλουμίνιο και στους ακριβούς πυκνωτές από χαλκό ή άργυρο.

Για την κατασκευή ενός πυκνωτή χάρτου, ταινίες από χαρτί και αλουμίνιο τοποθετούνται εναλλάξ η μια πάνω στην άλλη και μηχανικά τυλίγονται σε κυλινδρική συνήθως μορφή. Στη συνέχεια αφου τοποθετηθούν οι ακροδέκτες γίνεται εμπλουτισμός με ειδικές ρητίνες και τοποθετείται η πλαστική θήκη πάνω στην οποία αναγράφονται οι πληροφορίες για τον πυκνωτή.

Πλεονέκτημα των πυκνωτών χάρτου είναι η σχετικά μεγάλη χωρητικότητα τους από 1nF εως 22μF, ενώ μειονέκτημα είναι η πολύ μικρή αντίσταση μόνωσης, γιαυτό αυτός ο τύπος πυκνωτή δεν έχει καλή απόδοση στις υψηλές συχνότητες, ενώ στις χαμηλές συχνότητες είναι πολύ καλή επιλογή.

Ένας άλλος τύπος πυκνωτή χάρτου, είναι με επιμεταλλωμένο χαρτί όπου η μεταλλική επίστρωση αποτελεί τον οπλισμό του πυκνωτή. Μειονέκτημα είναι η σχετική μικρή τάση λειτουργίας λόγω του μικρού πάχους του διηλεκτρικού και των οπλισμών.

Πυκνωτές μίκας

Οι πυκνωτές μίκας διακρίνονται σε: φύλλων μίκας και ταινίας μίκας. Ο πρώτος τύπος κατασκευάζεται από λωρίδες μεταλλικών φύλλων που χωρίζονται από λωρίδες μίκας, στοιβαγμένα το ένα πάνω στο άλλο, σχηματίζοντας ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο. Οι λωρίδες μεταλλικών φύλλων συνδέονται έτσι ώστε να δημιουργηθούν οι δυο οπλισμοί του πυκνωτή. Το σύστημα συμπιέζεται και τοποθετείται μέσα σε μονωτικό περίβλημα.

Ο άλλος τύπος πυκνωτή μίκας κατασκευάζεται από ταινία μίκας η οποία παράγεται από τη μίκα με ειδική κατεργασία. Η ταινία αυτή μοιάζει με χαρτί και έχει καλή συνοχή. Οι πυκνωτές ταινίας μίκας περιελίσσονται όπως και οι πυκνωτές χαρτιού. Μετά την περιέλιξη τους γίνεται απαέρωση και εμπλουτισμός με ουσίες και τέλος η τοποθέτηση τους σε μονωτικό περίβλημα.

Ένας άλλος τύπος είναι οι πυκνωτές επιμεταλλωμένης μίκας. Στους πυκνωτές αυτούς με χημική κατεργασία τοποθετείται στις επιφάνειες της μίκας λεπτό στρώμα οξειδίου του αργύρου για τον σχηματισμό των οπλισμών. Ακολουθεί η τοποθέτηση των ακροδεκτών και το σύστημα αυτό τοποθετείται σε προστατευτικό περίβλημα.

Οι πυκνωτές μίκας χρησιμοποιούνται στα κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων των τηλεπικοινωνιών και σ' άλλες περιπτώσεις κυκλωμάτων όπου απαιτείται καλή σταθερότητα, μικρές απώλειες και μεγάλη αντίσταση μονώσεως.

Κεραμικοί πυκνωτές

Οι κεραμικοί πυκνωτές χρησιμοποιούν σαν διηλεκτρικό υλικό κεραμικό υλικό, που είναι πολύπλοκα μίγματα πυριτιούχου μαγνησίου, αλουμίνας, οξείδιο του ζιρκονίου κ.τ.λ. στα οποία προστίθεται τιτάνιο, βάριο, ασβέστιο κ.α.

Το κεραμικό υλικό διαμορφώνεται μέσα σε μήτρες και παίρνει την τελική του μορφή. Στη συνέχεια ψήνεται σε φούρνο σε θερμοκρασία 700 έως 1000 ^oC, οπότε στερεοποιείται το υλικό. Αφού καθαριστεί, στην επιφάνεια του σχηματίζονται με επιμετάλλωση οι οπλισμοί του. Σαν μέταλλο επιμετάλλωσης χρησιμοποιείται ο άργυρος. Οι ακροδέκτες κολλιούνται στην επιμεταλλωμένη επιφάνεια και στη συνέχεια, για προστασία τοποθετείται σε προστατευτικό περίβλημα από σμάλτο ή πλαστικό υλικό.

Οι κεραμικοί πυκνωτές είναι πολύ μικρών διαστάσεων και κατασκευάζονται σε πολλές μορφές, όπως σωληνωτοί, σφαιρικοί, πλάκες, δίσκοι κ.α.

Γενικά οι κεραμικοί πυκνωτές χρησιμοποιούνται πολύ στις υψηλές συχνότητες (μέχρι 10GHz). Οι χωρητικότητες τους κυμαίνονται από 1pF έως 100nF.

Στους κεραμικούς πυκνωτές, η τιμή της χωρητικότητας τους αναγράφεται σαν καθαρός αριθμός. Αν είναι καθαρός ακέραιος η μονάδα μέτρησης είναι το pF π.χ 47 -> 47pF,  22M -> 22pF. Αν ο αριθμός είναι δεκαδικός μονάδα μέτρησης είναι το μF π.χ.  0.05 -> 0.05μF,  .01 -> 0,01μF. Στην περίπτωση που είναι γραμμένη η μονάδα μέτρησης: n10 -> 0.10nF,  2n2 -> 2,2nF, 68n -> 68nF. Στους πυκνωτές που η χωρητικότητα του γράφεται με τρεις αριθμούς ισχύει: Το τρίτο ψηφίο δείχνει τον αριθμό των μηδενικών που ακολουθούν τα δυο πρώτα ψηφία. π.χ. 101 ->100pF,  472 -> 4700pF, 223 -> 22000pF.

Πυκνωτές πλαστικού διηλεκτρικού.

Αυτός ο τύπος πυκνωτή χρησιμοποιεί σαν διηλεκτρικό πλαστικό υλικό. Ο πυκνωτής πλαστικού διηλεκτρικού κατασκευάζεται σε διάφορους τύπους και είναι σήμερα είναι οι περισσότερο χρησιμοποιούμενοι στις ηλεκτρονικές κατασκευές αφού έχει εκτοπίσει τους πυκνωτές χάρτου και μίκας.

Η διαδικασία της κατασκευής τους είναι η ίδια με αυτήν των πυκνωτών χάρτου. Για την κατασκευή ενός πυκνωτή πλαστικού διηλεκτρικού, ταινίες από πλαστικό και αλουμίνιο τοποθετούνται εναλλάξ η μια πάνω στην άλλη και μηχανικά τυλίγονται σε κυλινδρική μορφή. Στη συνέχεια αφού τοποθετηθούν οι ακροδέκτες, τοποθετείται η πλαστική θήκη πάνω στην οποία αναγράφονται οι πληροφορίες για τον πυκνωτή.

Ανάλογα με το υλικό που είναι κατασκευασμένοι διακρίνουμε τις παρακάτω κατηγορίες:

• Πυκνωτές πολυεστέρα (polyester)
• Πυκνωτές πολυπροπυλενίου (polypropylene)
• Πυκνωτές πολυκαρβονικούς (polycarbon)
• Πυκνωτές πολυστερίνης (polystyrene)
• Πυκνωτές τεφλόν (teflon)

Οι πυκνωτές πλαστικού διηλεκτρικού έχουν χαμηλό συντελεστή θερμοκρασίας και πολύ μικρές ανοχές, η χωρητικότητα τους κυμαίνεται από 1nF εως 1μF ενώ συνηθισμένες τιμές τάσης λειτουργίας είναι από 50 έως 1000V

Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές

Σ' αυτή τη κατηγορία πυκνωτών, η κατασκευή τους και η λειτουργία τους στηρίζεται στο φαινόμενο της ηλεκτρόλυσης. Στους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές, ο ένας οπλισμός είναι μέταλλο (αλουμίνιο ή ταντάλιο) και ο άλλος ηλεκτρολύτης ποτισμένος σε χαρτί. Το μέταλλο είναι οξειδωμένο και το οξείδιο αυτό σαν μονωτικό υλικό αποτελεί το διηλεκτρικό του πυκνωτή.

Χαρακτηριστικό των ηλεκτρολυτικών πυκνωτών είναι η πολικότητα. Είναι κατάλληλοι μόνο για συνεχείς τάσεις.  Στην τοποθέτηση τους πρέπει να δίνεται προσοχή για τη σωστή σύνδεση των ακροδεκτών. Λάθος τοποθέτηση του πυκνωτή σημαίνει εφαρμογή ανάστροφης τάσης στα άκρα του, η οποία θα καταστρέψει τον πυκνωτή.

Ανάλογα το υλικό κατασκευής, οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές διακρίνονται σε α)Αλουμινίου και β)Τανταλίου.

Κατασκευή ηλεκτρολυτικών πυκνωτών αλουμινίου: Ένα φύλλο αλουμινίου αφού καθαριστεί οξειδώνεται με τη βοήθεια βορικού οξέος. Με τον τρόπο αυτό σχηματίζεται ένα στρώμα οξειδίου του αλουμινίου σε όλη την επιφάνεια του ελάσματος το οποίο είναι πολύ καλό μονωτικό. Έτσι κατασκευάζεται ο ένας οπλισμός και το διηλεκτρικό του πυκνωτή.

Στη συνέχεια ένα φύλλο οξειδωμένου αλουμινίου ένα φύλλο πορώδους χαρτιού και ένα φύλλο μη οξειδωμένου αλουμινίου τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο, με το χαρτί ενδιάμεσα, τυλίγεται και βυθίζεται σε υγρό ηλεκτρολύτη για να "ποτίσει" το χαρτί. Τέλος τοποθετείται ο κύλινδρος που έχει σχηματιστεί σε δοχείο αλουμινίου, το οποίο στην συνέχεια κλείνεται ερμητικά με πλαστικό για να μην υπάρχει διαρροή ηλεκτρολύτη.

Ο οξειδωμένος οπλισμός του πυκνωτή ονομάζεται άνοδος και συνδέεται με το θετικότερο τμήμα του κυκλώματος, ενώ ο ηλεκτρολύτης αποτελεί το δεύτερο οπλισμό του πυκνωτή και έχει αγώγιμη επαφή με την επιφάνεια του άλλου ελάσματος του αλουμινίου το οποίο ονομάζεται κάθοδος και είναι ο δεύτερος ακροδέκτης του εξαρτήματος.

Κατασκευή ηλεκτρολυτικών πυκνωτών τανταλίου: Σκόνη τανταλίου συμπιέζεται σε καλούπια σε υψηλή θερμοκρασία έτσι ώστε να αποκτήσει κυλινδρική μορφή. Ο πορώδης κύλινδρος που δημιουργείται κόβεται στο επιθυμητό μέγεθος και με κατάλληλη διεργασία οξειδώνεται επιφανειακά. Με αυτό τον τρόπο καλύπτεται η επιφάνεια του κυλίνδρου με λεπτό στρώμα οξειδίου τανταλίου Τα₂Ο₅ το οποίο θα είναι το διηλεκτρικό του πυκνωτή. Το εσωτερικό μη οξειδωμένο τμήμα του κυλίνδρου θα αποτελέσει την άνοδο του πυκνωτή. Το οξειδωμένο κυλινδρικό κομμάτι του τανταλίου μαζί με τον υγρό ηλεκτρολύτη τοποθετείται σε μεταλλικό δοχείο-θήκη που είναι εσωτερικά επαργυρωμένο. Με το επαργυρωμένο δοχείο συνδέεται ο άλλος ακροδέκτης του πυκνωτή που είναι η κάθοδος. Στη συνέχεια το σύστημα περικλείεται σε μονωτικό περίβλημα.

Το πρόβλημα της διαρροής του υγρού ηλεκτρολύτη οδήγησε στην κατασκευή πυκνωτών με ηλεκτρολύτη στερεάς μορφής, συγκεκριμένα τη χρήση του MnO₂. Επίσης κατασκευάζονται ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές αλουμινίου με ηλεκτρολύτη στερεάς μορφής με χρήση σαν το MnO₂.

Πυκνωτές SMD

Οι πυκνωτές SMD έχουν παρόμοια κατασκευή και σύνθεση με τους κοινούς πυκνωτές με την διαφορά ότι έχουν πολύ μικρό σχήμα μορφής ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου. Αντί ακροδεκτών έχουν μεταλλικές δυο από τις απέναντι πλευρές.

Όπως όλα τα SMD εξαρτήματα λόγω του μεγέθους τους και των προδιαγραφών τους για επιφανειακή στήριξη απαιτούν ειδικές τεχνικές συγκόλλησης και αποκόλλησης.

Μεταβλητοί πυκνωτές

Οι μεταβλητοί πυκνωτές χρησιμοποιούνται για τη μεταβολή της χωρητικότητας κατά τη διάρκεια λειτουργίας της συσκευής. Συνήθως συναντιούνται στα κυκλώματα επιλογής ραδιοφωνικών δεκτών.

Ο μεταβλητός πυκνωτής αποτελείται από ένα σύνολο ακίνητων παράλληλων πλακών που αποτελούν τον ένα οπλισμό (στάτη) του πυκνωτή. Ένα άλλο σύνολο κινούμενων παράλληλων πλακών με κοινό άξονα περιστροφής που αποτελούν τον άλλο (ρότορα) οπλισμό του πυκνωτή εισέρχονται στις ακίνητες πλάκες του πυκνωτή. Σαν διηλεκτρικό συνήθως χρησιμοποιείται ο αέρας και σε άλλες περιπτώσεις φυλλα πλαστικού υλικού.

Οι μεταβλητοί πυκνωτές διακρίνονται σε δυο κατηγορίες: α) Γραμμικοί ως προς τη χωρητικότητα και β)Γραμμικοί ως προς τη συχνότητα.

Γραμμικοί ως προς τη χωρητικότητα: Όταν το σχήμα των κινητών οπλισμών του μεταβλητού πυκνωτή είναι γεωμετρικά ημικύκλια που ο άξονας περιστροφής διέρχεται από το γεωμετρικό κέντρο τους είναι γραμμικοί ως προς τη χωρητικότητα. Σ' αυτή τη περίπτωση η μεταβολή της χωρητικότητας είναι ανάλογη της γωνίας περιστροφής, συνεπώς η χωρητικότητα μεταβάλλεται γραμμικά με την στρέψη του άξονα περιστροφής.

Γραμμικοί ως προς τη συχνότητα: Όταν το σχήμα των κινητών οπλισμών του μεταβλητού πυκνωτή είναι ελικοειδή ημικύκλια είναι γραμμικοί ως προς τη συχνότητα. Σ' αυτή τη περίπτωση η μεταβολή της συχνότητας του τμήματος συντονισμού που βρίσκεται ο πυκνωτής είναι ανάλογη της γωνίας περιστροφής, συνεπώς η συχνότητα μεταβάλλεται γραμμικά με την στρέψη του άξονα περιστροφής.

Ρυθμιζόμενοι πυκνωτές

Οι ρυθμιζόμενοι πυκνωτές είναι πυκνωτές μεταβλητής χωρητικότητας που συνδέονται σε σειρά ή παράλληλα με τους σταθερούς πυκνωτές και χρησιμοποιούνται στη  μικρορύθμιση της χωρητικότητας του κυκλώματος, στην φάση της κατασκευής του. Αυτού του είδους οι πυκνωτές είναι γνωστοί σαν πυκνωτές τρίμμερ ή πάντερ.

Ο ρυθμιζόμενος πυκνωτής αποτελείται από δυο δέσμες πτερυγίων, που η μια είναι κινητή και η άλλη ακίνητη. Σαν διηλεκτρικό χρησιμοποιείται πορσελάνη , μίκα ή πολυεστέρα. Ο κινητός οπλισμός μετακινείται περιστροφικά η κατακόρυφα, με τη βοήθεια κατσαβιδιού σε σχισμή άξονα, που είναι στερεωμένος στον οπλισμό του πυκνωτή.

Συμβολισμός πυκνωτών

Οι νόμοι του Kirhhoff

Τοπολογικοί ορισμοί

Οι ηλεκτρικές πηγές τάσης και ρεύματος καθώς και οι αντιστάσεις μπορούν να συνδεθούν μαζί με ποικίλους τρόπους και να σχηματίσουν ένα σύνθετο ηλεκτρικό κύκλωμα. Για τη μελέτη των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, δίδονται οι παρακάτω ορισμοί:

Κλάδος: Είναι οποιαδήποτε ομάδα συνδεδεμένων στοιχείων που σχηματίζουν ένα σύνολο δυο ακροδεκτών.

Κόμβος: Είναι ο κοινός ακροδέκτης, δηλαδή το σημείο στο οποίο καταλήγουν δυο ή περισσότεροι κλάδοι.

Βρόγχος: Είναι οποιαδήποτε κλειστή διαδρομή κλάδων. Διακρίνεται σε απλό και μη απλό βρόγχο.

Στο κύκλωμα του σχήματος η αντίσταση R₁ όπως και η πηγή Ε αποτελούν κλάδους του κυκλώματος. Το σημείο ένωσης των αντιστάσεων R₁ και R₂ καθώς και της πηγής Ε αποτελούν κόμβο του κυκλώματος. Η διαδρομή που περιλαμβάνει τις αντιστάσεις: R₂, R₃ και την πηγή Ε αποτελούν βρόγχο του κυκλώματος.

Ο νόμος των ρευμάτων του Kirchhoff

Για την εύρεση των ρευμάτων και των πτώσεων τάσεων στους κλάδους ενός κυκλώματος κάνουμε χρήση των νόμων του Kirchhoff.

Νόμος των ρευμάτων του Kirchhoff: Το αλγεβρικό άθροισμα των εντάσεων των ρευμάτων σε κάθε κόμβο του κυκλώματος είναι ίσο με μηδέν.

Δηλαδή, αν σε ένα κόμβο αθροίσουμε τα ρεύματα που εισέρχονται σ' αυτόν με θετικό πρόσημο και τα ρεύματα που εξέρχονται από αυτόν με αρνητικό πρόσημο, το άθροισμα αυτό θα είναι ίσο με μηδέν.

Παράδειγμα
Στο κυκλώμα του σχήματος είναι γνωστά: Ι=7Α, R₁=10Ω και η τάση στα άκρα της R₁ είναι V_R1=30V. Ζητείται η τιμή του ρεύματος στην αντίσταση R₂.

Ορίζουμε κατεύθυνση αναφοράς ρεύματος στην αντίσταση R₂ όπως στο σχήμα. Για το ρεύμα Ι₁ στην αντίσταση R₁ αυτό ρέει από το θετικότερο  προς το αρνητικότερο άκρο δηλαδή από πάνω προς τα κάτω, ενώ η τιμή του βρίσκεται από το νόμο του Ωμ. Συγκεκριμένα:

R₁ = V_R1 / I₁ => I₁ =V_R1 / R₁ => I₁ = 30V / 10Ω = 3Α

Τώρα, αθροίζουμε τα ρεύματα στο κόμβο. Συγκεκριμένα αθροίζουμε με θετικό πρόσημο το ρεύμα της πηγής ρεύματος Ι διότι εισέρχεται στον κόμβο και τα ρεύματα I₁ και Ι₂ με αρνητικό προσημο διότι εξέρχονται από τον κόμβο και αυτό το άθροισμα μας κάνει μηδέν. Δηλαδή:

Ι - Ι₁ - Ι₂ = 0 Με αντικατάσταση των τιμών: 7Α - 3Α - Ι₂ = 0 => Ι₂ = 4Α

Επομένως το ρεύμα στην αντίσταση R₂ είναι εξερχόμενο και έχει τιμή ίσο με 4Α

Ο νόμος των τάσεων του Kirchhoff

Νόμος τάσεων του Kirchhoff. Το αλγεβρικό άθροισμα όλων των τάσεων σε κάθε βρόγχο ενός κυκλώματος είναι ίσο με μηδέν

Δηλαδή, σε ένα βρόγχο ενός κυκλώματος το αλγεβρικό άθροισμα των πτώσεων τάσεων στους κλάδους του βρόγχου, είναι ίσο με μηδέν.

Παράδειγμα
Στο κύκλωμα του σχήματος είναι γνωστά: Ε₁ = 10V, Ε₂ = 4V, R₁ = 30Ω, R₂ = 20Ω. Ζητείται η τιμή του ρεύματος στις αντιστάσεις.

Όπως μπορούμε να καταλάβουμε η τιμή του ρεύματος είναι η ίδια σε όλα τα στοιχεία κυκλώματος. Ορίζουμε κατεύθυνση αναφοράς ρεύματος στις αντιστάσεις όπως στο σχήμα. Σημειώνουμε το θετικό και αρνητικό άκρο για την πτώση τάσης σε κάθε αντίσταση με τέτοιο τρόπο ώστε το ρεύμα στην αντίσταση να εισέρχεται στο θετικό άκρο, όπως στο σχήμα.

Ξεκινώντας από το κάτω αριστερό κόμβο και κινούμενοι δεξιόστροφο αθροίζουμε τις πτώσεις τάσης για τον βρόγχο. Κινούμενοι μέσα από τις πηγές Ε₁ και Ε₂ έχουμε αύξηση δυναμικού κατά 10V και μείωση δυναμικού κατά 4V αντίστοιχα. Κατά την κίνηση μέσα από τις αντιστάσεις έχουμε μείωση του δυναμικού, π.χ, στην R₁ κατά ποσότητα I∙R₁ όπως προκύπτει από το νόμο του Ωμ. Δηλαδή:

+Ε₁ - I∙R₁ - Ε₂ - I∙R₂ = 0 => Ε₁ -Ε₂ - (R₁ + R₂)∙I =0 => I = (E₁ -E₂) / (R₁ + R₂)

Με αντικατάσταση προκύπτει Ι = (10V- 4V) /(30Ω + 20Ω) = 0,12Α

Επομένως η τιμή του ρεύματος μέσα από τις αντιστάσεις είναι 0,12Α με φορά την κατεύθυνση αναφοράς.

Εφαρμογή 1

Στο κύκλωμα του σχήματος είναι γνωστά: Ε=50V, R₁=30Ω, R₂=10Ω και R₃=5Ω. Ζητούνται οι τιμές των ρευμάτων και των πτώσεων τάσεων στις αντιστάσεις.

 

Σημειώνουμε κατευθύνσεις αναφοράς ρεύματος στις αντιστάσεις όπως στο σχήμα. Στο σχήμα, επίσης, φαίνονται οι πολικότητες των πτώσεων τάσεων στις αντιστάσεις.

 Στον κόμβο Α εφαρμόζουμε τον νόμο των ρευμάτων του Kirchhoff ως εξής: Ι₃ - Ι₁ - Ι₂ = 0

Στον αριστερό βρόγχο εφαρμόζουμε τον νόμο των τάσεων του Kirchhoff ως εξής: +Ε - I₃∙R₃ - I₁∙R₁ =0

Στον δεξιό βρόγχο  εφαρμόζουμε τον νόμο των τάσεων του Kirchhoff ως εξής: +I₁∙R₁ - I₂∙R₂ = 0

Με αντικατάσταση των τιμών στις παραπάνω εξισώσεις προκύπτει το αλγεβρικό σύστημα:

I₁ + I₂ - I₃ = 0
30I₁ + 5I₃ = 50
30I₁ - 10I₂ = 0

Από την λύση του οποίου προκύπτουν οι τιμές των ρευμάτων στις αντιστάσεις: Ι₁ = 1Α, Ι₂ = 3Α και Ι₃ = 4Α

Η πτώση τάση στην αντίσταση R₃ είναι I₃∙R₃ = 4A∙5Ω = 20V, ενώ η πτώση τάση στις αντιστάσεις R₁ και R₂ είναι η ίδια και είναι I₁∙R₁ = I2∙R₂ = 1A∙30Ω = 3Α∙10Ω = 30V

 Εφαρμογή 2

Στο κύκλωμα του σχήματος είναι γνωστά: Ε=100V, Ι=2Α, R₁=15Ω, R₂=10Ω και R₃=40Ω. Ζητούνται οι τιμές των ρευμάτων και των πτώσεων τάσεων στις αντιστάσεις.

 

Σημειώνουμε κατευθύνσεις αναφοράς ρεύματος στις αντιστάσεις όπως στο σχήμα. Στο σχήμα, επίσης, φαίνονται οι πολικότητες των πτώσεων τάσεων στις αντιστάσεις.

Στον πάνω κόμβο εφαρμόζουμε τον νόμο των ρευμάτων του Kirchhoff ως εξής: +Ι₁ - Ι₂ + Ι₃ = 0

Στον δεξιό βρόγχο εφαρμόζουμε τον νόμο των τάσεων του Kirchhoff ως εξής: +I₂∙R₂ + I₃∙R₃ - Ε =  0

Με αντικατάσταση των τιμών, προκύπτει το σύστημα:

 Ι₂ - Ι₃ = 2
10Ι₂ + 40Ι₃ = 100

Από την λύση του οποίου προκύπτουν οι τιμές των ρευμάτων στις αντιστάσεις: Ι₁ = 2Α, Ι₂ = 3,6Α και Ι₃ = 1,6Α

Η πτώση τάση στην αντίσταση R₁ είναι I₁∙R₁ = 2A∙15Ω = 30V  στην αντίσταση R₂ είναι  I₂∙R₂ = 3,6A∙10Ω = 36V και στην αντίσταση R₃ είναι  I₃∙R₃ = 1,6A∙40Ω = 64V

Το εξάρτημα: αντίσταση

Αντίσταση

Ένα βασικό στοιχείο κυκλώματος είναι η "αντίσταση". Αυτό είναι το στοιχείο κυκλώματος για το οποίο η τάση στα άκρα του V και το ρεύμα I που το διαρρέει συνδέονται με γραμμική σχέση. Συγκεκριμένα στις "αντιστάσεις" ισχύει η σχέση V = I∙R, όπου R σταθερά. Διαφορετικά μπορούμε να πούμε ότι ο λόγος της τάσης V στα άκρα της αντίστασης προς το ρεύμα που την διαρρέει είναι σταθερός και ίσος με την τιμή της αντίστασης. Δηλαδή R=V/I.

Τα φυσικά εξαρτήματα που ικανοποιούν τη γραμμική σχέση: V=I∙R λέγεται ότι ικανοποιούν το νόμο του Ohm.

Οι μεταλλικοί αγωγοί είναι αντιστάσεις στις οποίες ισχύει ο νόμος του Ohm. Συγκεκριμένα η αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού, διατομής S και μήκους L, δίνεται από τον τύπο: R = ρ∙L/S , όπου ρ μια σταθερά που ονομάζεται ειδική αντίσταση και εξαρτάται από την φύση του υλικού του αγωγού.

Καθώς τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα στον αγωγό συγκρούονται με τα κατιόντα του πλέγματος με αποτέλεσμα την εμφάνιση θερμότητας στον αγωγό. Έτσι μέσα στην αντίσταση το ηλεκτρικό ρεύμα συναντά δυσκολία στην κίνηση του που είναι ανάλογη με την τιμή της αντίστασης.

Επειδή η αντίσταση είναι ένα παθητικό εξάρτημα, που καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια μετατρέποντας την σε θερμική, η κατεύθηνση του ρεύματος σ' αυτήν είναι από το θετικό άκρο της προς το αρνητικό.

Μονάδα μέτρησης της αντίστασης είναι το 1Ω και είναι η αντίσταση ενός αγωγού στον οποίο όταν εφαρμόζεται τάση 1V στα άκρα του διαρρέεται από ρεύμα 1Α. Εκτός από τη μονάδα Ohm, χρησιμοποιούνται συνήθως και τα πολλαπλάσια της: 1 Kiloohm (KΩ) = 10³Ω και 1Megohm (ΜΩ) = 10⁶Ω

Χαρακτηριστικά μεγέθη αντιστάσεων

Κάθε αντίσταση χαρακτηρίζεται από μεγέθη όπως παρουσιάζονται παρακάτω:

Ονομαστική τιμή αντίστασης. Είναι η τιμή της αντίστασης, που δίνει ο κατασκευαστής σε Ωμ. Σήμερα οι τιμές των αντιστάσεων είναι τυποποιημένες με τις σειρές Ε. Διακρίνουμε ανάλογα με την επιτρεπόμενη ανοχή των αντιστάσεων τις σειρές Ε₁₂, Ε₂₄, Ε₄₈, Ε₉₆ οι οποίες έχουν αντίστοιχες ανοχές 10%, 5%, 2%, 1%.

Ονομαστική ισχύς. Είναι η ισχύς που μπορεί να αναπτύξει η αντίσταση με τη μορφή θερμότητας, σε κανονική θερμοκρασία περιβάλλοντος και κανονική πίεση. Σ' αυτές τις συνθήκες η θερμοκρασία λειτουργίας της αντίστασης δεν πρέπει να υπερβεί εκείνη που δίνει ο κατασκευαστής.

Ανοχή. Είναι η απόκλιση της τιμής της αντίστασης από την ονομαστική της τιμή. Τούτο αποτελεί στοιχείο που δίνει ο
κατασκευαστής. Οι τιμές των ανοχών έχουν τυποποιηθεί παγκόσμια και είναι +-10%, +-5%, +-2%, +-1% και +-0,5%.

Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση. Είναι η μέγιστη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στα άκρα μιας αντίστασης χωρίς αυτή να καταστραφεί.

Γραμμικότητα. Οι αντιστάσεις πρέπει να ακολουθούν τον νόμο του Ohm με ακρίβεια για να μην παρατηρούνται παραμορφώσεις των τάσεων ή ρευμάτων στις οποίες λειτουργούν.

Τάση θορύβου. Κατά τη διέλευση του ρεύματος μέσα από ένα αντιστάτη η εκλυόμενη θερμική ενέργεια προκαλεί κυμάνσεις τάσεως που η μέση τιμή τους είναι μηδέν. Το πλάτος των κυμάνσεων αυτών προς την εφαμοζόμενη τάση στα άκρα του αντιστάτη μας δίνει την τιμή του θορύβου σε μV/V.

Σταθερότητα της αντίστασης. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στη κατασκευή των αντιστάσεων παρουσιάζουν αλλοιώσεις κατα τη διάρκεια της ζωής τους. Οι αντιστάσεις πρέπει να παρουσιάζουν καλή σταθερότητα τιμής με την πάροδο του χρόνου.

Αντιστάσεις σταθερής τιμής

Οι αντιστάσεις ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής διακρίνονται σε:

Αντιστάσεις Άνθρακος. Κατασκευάζονται από κόκκους άνθρακα με συνδετικό υλικό, συγκεκριμένα με συνθετικές ρητίνες. Αυτό το υλικό, του άνθρακα και του συνδετικού υλικού θερμένεται και συμπιέζεται. Ταυτόχρονα τοποθετούνται οι ακροδέκτες του εξαρτήματος. Στη συνέχεια τοποθετείται το μονωτικό υλικό για προστασία και αντοχή έτσι παίρνει την τελική της μορφή. Αυτές οι αντιστάσεις έχουν το χαμηλότερο κόστος παραγωγής, αλλά έχουν σοβαρά μειονεκτήματα όπως η μεγάλη ανοχή και ο μεγάλος θόρυβος.

Αντιστάσεις σε φίλμ άνθρακα. Πάνω σ' ένα κυλινδρικό σώμα από μονωτικό υλικό τοποθετείται  ένα λεπτό στρώμα άνθρακα. Αφού τοποθετηθούν οι ακροδέκτες του εξαρτήματος, το στρώμα άνθρακα χαράζεται ελικοειδώς. Έτσι,  αυτόν τον τρόπο κατασκευάζεται η αντίσταση με την επιθυμητή τιμή με ακρίβεια. Στη συνέχεια η αντίσταση καλύπτεται από μονωτικό υλικό πάνω στο οποίο αναγράφεται η τιμή της αντίστασης.

Κεραμικές αντιστάσεις. Οι αντιστάσεις αυτές είναιαντιστάσεις που μπορούν να αντέξουν υψηλή ισχύ από 2έως 40Watt. Κατασκευάζονται παρόμοια όπως και οι αντιστάσεις φίλμ. Συγκεκριμένα, πάνω σε μια κυλινδρική βάση από μονωτικό υλικό τοποθετείται ένα στρώμα μείγματος κεραμικού υλικού και μετάλλου. Στη συνέχεια τοποθετούνται οι ακροδέκτες και το στρώμα χαράζεται με ακρίβεια ώστε να δίνει την επιθυμητή τιμή της αντίστασης. Ακολουθεί η τοποθέτηση μονωτικού υλικού εξωτερικά καλύπτοντας την αντίσταση, πάνω στο οποίο αναγράφεται η τιμή και η ανοχή της αντίστασης καθώς και η ισχύς της με γράμματα και αριθμούς.

Αντιστάσεις σύρματος. Οι αντιστάσεις αυτές κατασκευάζονται από σύρμα που τυλίγεται σε κυλινδρική βάση από μονωτικό υλικό, συνήθως κεραμικό ή γυαλί. Το σύρμα της αντίστασης είναι κατασκευασμένο από κράμα νικελίου-χαλκού ή κράμα νικελίου-χρωμίου το οποίο είναι βαμμένο με μονωτικό υλικό για να μην βραχυκυκλώνουν οι σπείρες μεταξύ τους. Στη συνέχεια αυτέ οι αντιστάσεις καλύπτονται με μονωτικές ουσίες, κυρίως σμάλτο ή τσιμέντο. Χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα υψηλής ισχύος, όταν έχουμε ρεύματα μεγάλης εντάσεως.

Αντιστάσεις μεταλλικού φίλμ. Αυτές οι αντιστάσεις κατασκευάζονται και ομοιάζουν όπως και οι αντιστάσεις φίλμ άνθρακα. Διαφέρουν στο ότι, αυτός ο τύπος αντιστάσεων χρησιμοποιεί μεταλλικό φιλμ, αντί λεπτού στρώματος άνθρακα πάνω σε πυρήνα μονωτικού υλικού. Το μεταλλικό φίλμ χαράσεται ελικοειδώς ώστε να δημιουργηθεί η αντίσταση με την επιθυμητή τιμή. Σήμερα οι αντιστάσεις μεταλλικού φίλμ χρησιμοποιούνται ευρέως.

Αντιστάσεις SMD Τα εξαρτήματα επιφανειακής στήριξης SMD ( Surface Mountain Device) δημιουργήθηκαν με την προσπάθεια της τεχνολογίας για την ελάττωση του χώρου που καταλαμβάνει ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Οι αντιστάσεις SMD δεν έχουν ακροδέκτες με τη μορφή σύρματος αλλά καταλήγουν σε δύο μεταλλικά άκρα και απαιτούν ειδικές μεθόδους και τεχνικές συγκόλλησης και αποκόλλησης. Επειδή έχουν πολύ μικρές διαστάσεις (μεγέθη 0603 και 0805), δημιουργείται πρόβλημα αναγνώρισης των SMD αντιστάσεων γιατί η μικρή τους επιφάνεια δεν επιτρέπει την αναγραφή πληροφοριών, μόνο στις μεγαλύτερες από αυτές (μέγεθος 1206) αναγράφεται ένας τριψήφιος αριθμός.

Κώδικας χρωμάτων

Η τιμή της αντίστασης σαν πληροφορία, κωδικοποιείται με τρεις, τέσσερις ή πέντε χρωματικούς δακτυλίους γύρω απ' το σώμα της αντίστασης.

 

Τρεις χρωματικοί δακτύλιοι. Χρησιμοποιούνται τρεις χρωματικοί δακτύλιοι για αντιστάσεις που έχουν ανοχή +-20%. Οι δυο πρώτοι δακτύλιοι δηλώνουν αριθμούς και ο τρίτος δακτύλιος τον πολλαπλασιαστή ή τον αριθμό των μηδενικών που ακολουθούν τους δυο πρώτους αριθμούς.

Τέσσερις χρωματικοί δακτύλιοι. Χρησιμοποιούνται τέσσερις χρωματικοί δακτύλιοι για αντιστάσεις που έχουν ανοχή +-5% ή +-10%. Οι τρεις πρώτοι δακτύλιοι δηλώνουν ότι ακριβώς και στην προηγούμενη περίπτωση ενώ ο τέταρτος δηλώνει την ανοχή της αντίστασης. Ο τέταρτος δακτύλιος έχει χρώμα χρυσό ή ασημί για ανοχή 5% και 10% αντίστοιχα.

Πέντε χρωματικοί δακτύλιοι. Χρησιμοποιούνται πέντε χρωματικούς δακτυλίους για αντιστάσεις που έχουν πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια τιμής από τις προηγούμενες. Συγκεκριμένα οι τρεις πρώτοι δακτύλιοι δηλώνουν αριθμούς, ο τέταρτος δακτύλιος δηλώνει τον πολλαπλασιαστή και ο πέμπτος δακτύλιος την ανοχή.

Παραδείγματα

Ακολουθούν παραδείγματα αναγνώρισης αντιστάσεων με κώδικα χρωμάτων:

Καφέ, πράσινο, μαύρο, χρυσό >> τιμή 15Ω ανοχή 5%
Πορτοκαλί, πορτοκαλί, χρυσό, χρυσό >> τιμή 3,3Ω ανοχή 5%
Κόκκινο, κόκκινο, πορτοκαλί >> τιμή 22ΚΩ ανοχή 20%
Κόκκινο, μωβ, κίτρινο, χρυσό >> τιμή 270ΚΩ ανοχή 5%
Καφέ, πράσινο, μπλέ, ασημί >> τιμή 15ΜΩ ανοχή 10%
Καφέ, πράσινο, πράσινο, ασημί >> τιμή 1,5ΜΩ ανοχή 10%

Κώδικας Γραμμάτων και αριθμών

Μ΄αυτό τον τρόπο, οι πληροφορίες της αντίστασης δίδονται με ένα συνδυασμό γραμμάτων και αριθμών. Ο κώδικας αυτός χρησιμοποιείται συνήθως στις αντιστάσεις σύρματος μεγάλης ισχύος, όπου η μεγάλη επιφάνεια επιτρέπει την γραφή γραμμάτων και αριθμών.

Η ονομαστική τιμή της αντίστασης δίνεται με τη βοήθεια αριθμών και των γραμμάτων R, K, M. Τα γράμματα προηγούνται ή ακολουθούν τους αριθμούς ή βρίσκονται ανάμεσα τους. Η ανοχή της αντίστασης γράφεται με αριθμούς ή με γράμματα, όπως: F=1%, G=2%, J=5%, K=10%, M=20%. Η ισχύς των αντιστάσεων αυτών αναγράφονται με ένα αριθμό που ακολουθείται από το γράμμα W

Παραδείγματα

2,2ΚΩ F 5W >> τιμή 2,2ΚΩ, ανοχή 1%, ισχύς 5 Watt
33  5%  9W  >> τιμή 33Ω,  ανοχή 5%, ισχύς 9 Watt
68K 1%   >> τιμή 68ΚΩ,  ανοχή 1%
5W 15KRJ  >> τιμή 15ΚΩ, ανοχή 5%, ισχύς 5W
0,33 10%  7W  >> τιμή 0,33Ω, ανοχή 10%, ισχύς 7W

Αντιστάσεις μεταβλητής τιμής

Σε ορισμένα κυκλώματα είναι απαραίτητη μια αντίσταση που η τιμή της να μπορεί να μεταβληθεί με μεταβολή άλλων μεγεθών π.χ. της τάσης, της θερμοκρασίας κλπ. είτε να μεταβάλλεται χειροκίνητα όπως για παράδειγμα στα ποτενσιόμετρα.

Ρυθμιζόμενες μηχανικά αντιστάσεις

Για την κατασκευή ενός τέτοιου εξαρτήματος  σε μια κυλινδρική ή κυκλική βάση  τοποθετείται ένα στρώμα άνθρακα ή μετάλλου είτε τυλίγεται γύρω από αυτήν σύρμα υψηλής αντίστασης που αποτελεί το υλικό της αντίστασης.

Κατά μήκος του υλικού της αντίστασης και μεταξύ των άκρων της στα οποία έχουν τοποθετηθεί ακροδέκτες, ολισθαίνει ένας αγώγιμος
δρομέας, που αποτελεί τον τρίτο ακροδέκτη της μεταβλητής αντίστασης. Ο δρομέας μπορεί να μετακινείται παράλληλα στο υλικό της αντίστασης ή να περιστρέφεται με την βοήθεια ενός άξονα περιστροφής.

Το σύστημα αυτό της μεταβλητής αντίστασης τοποθετούνται μέσα σε μεταλλικό ή πλαστικό περίβλημα από το οποίο εξέρχονται οι ακροδέκτες και ο περιστρεφόμενος άξονας του δρομέα ή μια λαβή μετατόπισης ανάλογα με την κατασκευή.

Στη ηλεκτρονική τεχνολογία αυτές οι αντιστάσεις αυτές είναι γνωστές με την ονομασία ποτενσιόμετρα. Τα ποτενσιόμετρα χωρίζονται σε δυο κύριες κατηγορίες α) τα γραμμικά β)τα λογαριθμικά

Στα γραμμικά ποτενσιόμετρα  η τιμή της αντίστασης μεταβάλλεται ανάλογα με τη γωνία περιστροφής ή τη μετατόπιση του δρομέα. Τα γραμμικά ποτενσιόμετρα συμβολίζονται με τα γράμματα Α που χρησιμοποιούν Ευρωπαίοι κατασκευαστές, Β που χρησιμοποιούν Ιάπωνες κατασκευαστές ή ακόμη περιγραφικά σαν LIN και τέλος κατά DIN με τον αριθμό 1.

Στην ακουστική το ανθρώπινο αυτί  αντιλαμβάνεται την ένταση του ήχου ή τις μεταβολές του ήχου σαν λογαριθμικές και όχι σαν γραμμικές μεταβολές. Έτσι για τις  ανάγκες της ηλεκτροακουστικής για λογαριθμικές μεταβολές οδήγησε στην κατασκευή λογαριθμικών ποτενσιόμετρων.

Στα λογαριθμικά ποτενσιόμετρα το υλικό της αντίστασης δεν τοποθετείται ομοιόμορφα πάνω στην αρχική βάση αλλά με τέτοιο τρόπο ώστε τελικά να έχουμε λογαριθμική μεταβολή της τιμής της αντίστασης. Τα λογαριθμικά ποτενσιόμετρα συμβολίζονται με το γράμμα Β που χρησιμοποιούν Ευρωπαίοι κατασκευαστές, D που χρησιμοποιούν Ιάπωνες κατασκευαστές ή ακόμα περιγραφικά σαν LOG και τέλος κατά DIN με τον αριθμό 4.

Μια ειδική κατηγορία ποτενσιομέτρων είναι τα trimmer. Αυτά είναι ποτενσιόμετρα μικρά σε μέγεθος κατασκευασμένα με όμοιο τρόπο, αλλά χωρίς άξονα περιστροφής, με μια σχισμή, που με την βοήθεια ενός κατσαβιδιού μπορεί να περιστρέφεί ο δρομέας του.

Μη γραμμικές αντιστάσεις

Οι αντιστάσεις που μελετήσαμε μέχρι τώρα ήταν γραμμικές στις οποίες ισχύει ο νόμος του Ohm για σταθερή τιμή του λόγου V/I=R ανεπηρέαστο από εξωτερικές επιδράσεις.

Στις γραμμικές αντιστάσεις, η γραφική παράσταση της σχέσης τάσης V και έντασης του ρεύματος I  είναι ευθεία που διέρχεται από την αρχή των αξόνων.

Παρακάτω θα εξετάσουμε μια άλλη κατηγορία αντιστάσεων που η τιμή τους εξαρτάται από την θερμοκρασία, την τάση, την φωτεινή ακτινοβολία και άλλους εξωτερικούς παράγοντες. Η γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος συναρτήσει της εφαρμοζόμενης στα άκρα τους τάσης, δεν είναι πια ευθεία αφού δεν υπακούουν στο νόμο του Ohm.

Θερμίστορ

Τα θερμίστορ (thermistor) είναι αντιστάσεις πολύ ευαίσθητες στις μεταβολές της θερμοκρασίας. Κατασκευάζονται από ημιαγώγιμα υλικά και υπάρχουν σε διάφορα μεγέθη και σχήματα. Τα θερμίστορ χωρίζονται σε δυο κατηγορίες:

α) N.T.C. θερμίστορ: Έχουν αρνητικό θερμικό συντελεστή αντίστασης (Negative Temperature Coefficient) δηλαδή η αντίσταση τους μειώνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα περισσότερα θερμίστορς.

β) P.T.C. θερμίστορ: Έχουν θετικό θερμικό συντελεστή αντίστασης (Positive Temperature Coefficient) δηλαδή η αντίσταση τους αυξάνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία.

Βαρίστορ (VDR)

Τα βαρίστορ είναι μη γραμμικές αντιστάσεις, που η τιμή τους εξαρτάται από την τάση που εφαρμόζεται στα άκρα τους. Δεν ακολουθούν τον νόμο του Ohm και η χαρακτηριστική τους I=f(V) ακολουθεί τη σχέση:  Ι = ΚV^a όπου Κ : συντελεστής που εξαρτάται από το υλικό κατασκευής και τις προδιαγραφές του βαρίστορ, V: η τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του βαρίστορ και α: μη γραμμικός συντελεστής με τιμές μεγαλύτερες από 2 (α>2).

Τα βαρίστορ χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα για αποφυγή ή περιορισμό υπερτάσεων είτε για σταθεροποίηση υψηλών τιμών τάσεως.

Φωτοαντιστάσεις

Οι φωτοαντιστάσεις είναι ειδική κατηγορία μη γραμμικών αντιστάσεων που η τιμή τους μεταβάλλεται με την πρόσπτωση φωτεινής
ακτινοβολίας πάνω στην επιφάνεια τους.

Η λειτουργία τους στηρίζεται στο φαινόμενο της μεταβολής της αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού με την μεταβολή της προσπίπτουσας φωτεινής ακτινοβολίας.

Τα κυριότερα χαρακτηριστικά μιας φωτοαντίστασης είναι τα εξής: α)Τιμής σκότους που είναι η τιμή της αντίστασης απουσία φωτισμού δηλαδή στο σκοτάδι. β)Τη μέγιστη Rmax και ελάχιστη τιμή Rmin μέσα στα οποίες μεταβάλλεται η αντίσταση με την επίδραση του φωτός. γ)Ο χρόνος που απαιτείται για να σταθεροποιηθεί η αντίσταση από τη στιγμή της αλλαγής του φωτισμού.

Οι φωτοαντιστάσεις χρησιμοποιούνται λόγω της μεγάλης μεταβολής της αντίστασης τους σαν φωτοαισθητήρες, για φωτισμό των οδών, σε κυκλώματα πυρασφαλειας, στις φωτογραφικές μηχανές για αυτόματη ρύθμιση του διαφράγματος ανάλογα με την υπάρχουσα ένταση φωτεινής ακτινοβολίας και σε πάρα πολλά άλλα κυκλώματα αυτοματισμού.

Συμβολισμός αντιστάσεων

 

Ένταση ρεύματος - τάση

Ηλεκτρισμός

Πρώτος ο Θαλής ο Μιλήσιος διαπίστωσε πως το κεχριμπάρι όταν τρίβεται σε μάλλινο ύφασμα αποκτά την ιδιότητα να έλκει τρίχες, μικρά τεμάχια δέρματος κ.τ.λ. Τα φαινόμενα αυτά ονομάστηκαν ηλεκτρικά φαινόμενα από την αρχαία ονομασία του κεχριμπαριού «ήλεκτρο».

Για να ερμηνευτούν τα ηλεκτρικά φαινόμενα, έγινε αποδεκτή η ύπαρξη ενός φυσικού μεγέθους που ονομάστηκε ηλεκτρικό φορτίο. Διαπιστώθηκε πως ο εβονίτης, όταν τρίβεται σε μάλλινο ύφασμα, αποκτά ηλεκτρικό φορτίο. Παρατηρήθηκε, πως όταν πλησιάσουν δυο ράβδοι εβονίτη που είναι ηλεκτρισμένες απωθούνται. Ομοίως το γυαλί ηλεκτρίζεται, όταν τρίβεται σε μεταξένιο ύφασμα. Όταν πλησιάσουν μια ηλεκτρισμένη ράβδος από εβονίτη και μια ηλεκτρισμένη ράβδος από γυαλί έλκονται.

Από τις παραπάνω παρατηρήσεις βγήκε το συμπέρασμα πως υπάρχουν δυο ειδών φορτία, αυτό του εβονίτη όταν τρίβεται σε μάλλινο ύφασμα και αυτό του γυαλιού όταν τρίβεται σε μεταξένιο ύφασμα. Το πρώτο ονομάστηκε αρνητικό και το δεύτερο θετικό. Επίσης έγινε φανερό πως τα ομώνυμα φορτία απωθούνται, ενώ τα ετερώνυμα έλκονται. Η μονάδα του ηλεκτρικού φορτίου είναι το Coulomb.

Δομή της ύλης

Τα υλικά σώματα στη γλώσσα της χημείας είναι σύνθεση χημικών ενώσεων.

Χημικές ενώσεις ονομάζονται οι χημικές ουσίες που μπορούν να διασπαστούν σε απλούστερες τα λεγόμενα χημικά στοιχεία που με την σειρά τους δεν μπορούν να διασπαστούν.

Τα μικρότερα σωματίδια από τα οποία αποτελούνται τα χημικά στοιχεία ονομάζονται άτομα. Τα άτομα αποτελούνται από τον πυρήνα, ο οποίος βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου και τα ηλεκτρόνια, τα οποία περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Ο πυρήνας αποτελείται από τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Τα πρωτόνια έχουν περίπου την ίδια μάζα με τα νετρόνια, ενώ τα ηλεκτρόνια έχουν μάζα περίπου 2000 φορές μικρότερη από τη μάζα του πρωτονίου.

Έχει διαπιστωθεί πως τα πρωτόνια φέρουν θετικό φορτίο, ενώ τα ηλεκτρόνια αρνητικό, επομένως μεταξύ του πυρήνα και των ηλεκτρονίων ασκούνται ελκτικές δυνάμεις Coulomb. Το φορτίο που φέρουν τα πρωτόνια είναι ίσο κατ' απόλυτη τιμή με το φορτίο που φέρουν τα ηλεκτρόνια (1,6 10^-19 Cb). Τα νετρόνια δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο.

Σε κάθε άτομο ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων και έτσι τα άτομα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Τα ηλεκτρόνια κινούνται σε διαφορετικές περιοχές γύρω από τον πυρήνα, που ονομάζονται στοιβάδες. Σε κάθε στοιβάδα ο μέγιστος αριθμός ηλεκτρονίων είναι διαφορετικός ξεκινώντας από την πρώτη με 2 ηλεκτρόνια, τη δεύτερη με 8 την τρίτη με 18 κ.τ.λ. εκτός από την τελευταία στοιβάδα που δεν μπορεί να έχει περισσότερα από 8 ηλεκτρόνια, ενώ η προτελευταία από 18.

Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στην τελευταία (εξωτερική) στοιβάδα ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους. Τα ηλεκτρόνια σθένους είναι αυτά που συμμετέχουν στο σχηματισμό χημικών ενώσεων και στα οποία οφείλονται οι χημικές ενώσεις των στοιχείων. Όταν ένα ηλεκτρόνιο σθένους αποσπασθεί από ένα άτομο προκύπτει ένα θετικό ιόν. Η ενέργεια που πρέπει να δοθεί σε ένα ηλεκτρόνιο σθένους για να αποσπασθεί από το άτομο ονομάζεται ενέργεια ιονισμού. Εκτός από τα θετικά ιόντα υπάρχουν και τα αρνητικά ιόντα, που σχηματίζονται όταν ένα άτομο προσλάβει ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο.

Ηλεκτρικό ρεύμα

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την ερμηνεία των ηλεκτρικών φαινομένων παρουσιάζει η δομή των μετάλλων. Τα μέταλλα αποτελούνται από θετικά ιόντα που ισαπέχουν, σχηματίζοντας έτσι το μεταλλικό πλέγμα. Σε ένα μεταλλικό αγωγό, ορισμένα ηλεκτρόνια έχουν αποσπαστεί από την εξωτερική στοιβάδα των ατόμων του μετάλλου και έχουν την ιδιότητα να κινούνται ατάκτως εντός του μεταλλικού αγωγού. Αυτά ονομάζονται ελεύθερα ηλεκτρόνια και φέρουν αρνητικό φορτίο. Σε ένα μεταλλικό αγωγό τα ελεύθερα ηλεκτρόνια λέγονται ηλεκτρικοί φορείς ή φορείς διότι είναι το ηλεκτρικό φορτίο που μπορεί και κινείται μέσα σ' αυτόν. Κατά την σύνδεση ενός αγωγού με ηλεκτρική πηγή, οι ηλεκτρικοί φορείς βρίσκονται μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο στον αγωγό με αποτέλεσμα να κινούνται προς μια κατεύθυνση. Η κίνηση των ηλεκτρικών φορέων προς μια κατεύθυνση ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Ένταση ηλεκτρικού ρεύματος

Η ροή των ηλεκτρικών φορέων σε ένα αγωγό άλλοτε είναι έντονη άλλοτε λιγότερο έντονη ή αργή. Το φυσικό μέγεθος που εκφράζει το πόσο έντονη είναι η ροή των ηλεκτρικών φορέων σ' ένα αγωγό είναι η ένταση του ρεύματος.

Αν από μια διατομή ενός αγωγού, στο χρονικό παράθυρο t έως t+Δt περάσει φορτίο Δq τότε το ρεύμα του αγωγού τη χρονική στιγμή t ορίζεται σαν το πηλίκο I=Δq/Δt παίρνοντας το χρονικό διάστημα Δt πολύ μικρό.

Η ένταση του ρεύματος τη χρονική στιγμή t ορίζεται ως το πηλίκο του φορτίου Δq που περνά από μια διατομή του αγωγού για χρονικό διάστημα Δt γύρω από τη χρονική στιγμή t προς το χρονικό διάστημα Δt. I=Δq/Δt

Η φορά του ρεύματος που χρησιμοποιείται στα κυκλώματα συμπίπτει με τη φορά κίνησης των ηλεκτρικών φορέων όταν αυτοί φέρουν θετικό φορτίο. Αυτός ο ορισμός της φοράς του ρεύματος ονομάζεται συμβατική φορά. Όταν οι ηλεκτρικοί φορείς φέρουν αρνητικό φορτίο τότε η φορά του ρεύματος είναι αντίθετη από την κίνηση των φορέων.

Στους μεταλλικούς αγωγούς οι ηλεκτρικοί φορείς είναι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια που φέρουν αρνητικό φορτίο. Επομένως η συμβατική φορά του ρεύματος σε ένα μεταλλικό αγωγό είναι η αντίθετη της κίνησης των ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Η μονάδα έντασης ρεύματος είναι το 1Α (Ampere).

Διαφορά δυναμικού στα άκρα ηλεκτρικού διπόλου

Κάθε διάταξη, που έχει δύο ακροδέκτες ονομάζεται ηλεκτρικό δίπολο. Ηλεκτρικά δίπολα είναι τα εξαρτήματα που έχουν σαν ακροδέκτες μεταλλικούς αγωγούς και τέτοια είναι οι αντιστάσεις, οι κινητήρες, οι κρυσταλλοδίοδοι.

Πειραματικά έχει παρατηρηθεί ότι για τη διέλευση ηλεκτρικού φορτίου από ένα ηλεκτρικό δίπολο καταναλίσκεται ηλεκτρική ενέργεια.

Εάν κατά την διέλευση ηλεκτρικού φορτίου ίσου 1Cb (1Coulomb) από ένα ηλεκτρικό δίπολο καταναλώνεται ηλεκτρική ενέργεια ίση με 1Joule τότε η διαφορά δυναμικού (κατά απόλυτη τιμή) στα άκρα του διπόλου είναι ίση με 1Volt (1V).

Ηλεκτρικά δίπολα που καταναλίσκουν ηλεκτρική ενέργεια είναι τα εξαρτήματα π.χ. αντιστάσεις, κρυσταλλοδίοδοι κ.α. που την μετατρέπουν σε θερμική. Την ενέργεια αυτή την παίρνουν από τις ηλεκτρικές πηγές με τις οποίες είναι συνδεδεμένες. Κατά την διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος από μια ηλεκτρική πηγή παράγεται στο ρεύμα ηλεκτρική ενέργεια.

Σε ένα ηλεκτρικό δίπολο με ακροδέκτες Α και Β από το οποίο διέρχονται (θετικά) φορτία από τον ακροδέκτη Α στον Β, αν καταναλίσκεται ηλεκτρική ενέργεια (π.χ. παραγωγή θερμότητας από μια αντίσταση) λέμε ότι το δυναμικό στον ακροδέκτη Α είναι θετικότερο από το δυναμικό στο Β, δηλαδή V_AB=V_B-V_A < 0, ενώ αν προσφέρεται ενέργεια στο ρεύμα (π.χ. από μια μπαταρία με κατανάλωση χημικής ενέργειας) λέμε ότι το δυναμικό στον ακροδέκτη Α είναι αρνητικότερο από το δυναμικό στο Β, δηλαδή V_AB=V_B-V_A > 0.

 

Στο σχήμα φαίνεται μια αντίσταση να διαρρέεται από ρεύμα με συμβατική φορά (κίνηση θετικών φορέων) προς τον ακροδέκτη Α στον Β. Επειδή στην αντίσταση καταναλίσκεται ηλεκτρική ενέργεια το δυναμικό στον ακροδέκτη Α είναι θετικότερο από εκείνο του ακροδέκτη Β. Επίσης στο σχήμα φαίνεται μια ηλεκτρική πηγή να διαρρέεται από ρεύμα συμβατικής φοράς από τον ακροδέκτη Γ προς τον ακροδέκτη Δ. Επειδή η ηλεκτρική πηγή παρέχει ηλεκτρική ενέργεια στο κύκλωμα ο ακροδέκτης Γ είναι αρνητικότερος από τον ακροδέκτη Δ.

Ενέργεια και ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος

Η μεγάλη χρησιμότητα του ηλεκτρικού ρεύματος οφείλεται στο ότι με αυτό είναι πολύ εύκολη η μεταφορά ενέργειας από τον τόπο παραγωγής της στην κατανάλωση.

Ο ρυθμός με τον οποίο παράγεται ή καταναλίσκεται η ενέργεια σε ένα ηλεκτρικό δίπολο εκφράζεται από την ισχύ που συμβολίζεται με το γράμμα P. Ορίζεται ως εξής: Η ηλεκτρική ενέργεια ΔΕ που καταναλίσκεται από ένα ηλ. δίπολο στο μικρό χρονικό παράθυρο Δt, δίνεται απο τον τύπο ΔΕ = P∙Δt  Συνεπώς η ισχύς του ηλεκτρικού ρεύματος που καταναλίσκεται σε ηλεκτρικό δίπολο δίνεται από τη σχέση: P = ΔΕ/Δt

Αποδεικνύεται ότι, εάν σε ένα ηλεκτρικό δίπολο το οποίο διαρρέεται από ρεύμα έντασης Ι, έχοντας διαφορά δυναμικού V στα άκρα του, η ισχύς Ρ του ηλεκτρικού ρεύματος που καταναλίσκεται από το δίπολο είναι ίση P=I∙V.

Στην περίπτωση που το ρεύμα (συμβατική φορά) εισέρχεται στο θετικότερο ακροδέκτη του διπόλου, τότε καταναλίσκεται ηλεκτρική ενέργεια από το δίπολο (π.χ. αντίσταση) και η ισχύς είναι θετική ποσότητα, ενώ στην περίπτωση που το ρεύμα εισέρχεται στο αρνητικότερο ακροδέκτη του διπόλου (π.χ. ηλεκτρική πηγή), τότε παράγεται ηλεκτρική ενέργεια από το δίπολο και η ισχύς είναι αρνητική  ποσότητα

Γενικά για τα τροφοδοτικά

Όλα τα ηλεκτρονικά κυκλώματα χρειάζονται μια πηγή παροχής ισχύος DC. Συνήθως οι ηλεκτρονικές συσκευές διαθέτουν από ένα τροφοδοτικό που μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση του δικτύου σε συνεχή. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται το μπλοκ διάγραμμα ενός τροφοδοτικού:

 

Μετασχηματιστής: Μετατρέπει την τάση δικτύου στην επιθυμητή τάση AC ώστε να έχουμε το κατάλληλο πλάτος DC. Σημείωση: οι ηλεκτρονικές συσκευές χρειάζονται χαμηλές τάσεις συνεχούς ρεύματος που κυμαίνονται μεταξύ 5V και 12V.

Ανορθωτής: Μετατρέπει την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή που χρειάζονται οι ηλεκτρονικές συσκευές.

Πυκνωτής: Το τροφοδοτικό πρέπει να είναι ικανό να αποθηκεύει ενέργεια. Η αποθήκη ενέργειας απαιτείται για τη μείωση της κυμάτωσης που εμφανίζεται μετά την ανόρθωση. Το εξάρτημα που αποθηκεύει την ενέργεια ονομάζεται πυκνωτής εξομάλυνσης και λειτουργεί με συνεχή τάση.

Σταθεροποιητής: Διατηρεί σταθερή τάση εξόδου ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης δικτύου και τις μεταβολές ρεύματος που απορροφούν τα φορτία.

Απλή ανόρθωση

Το βασικό κύκλωμα για την ημιανόρθωση ή την απλή ανόρθωση όπως λέγεται φαίνεται στο παρακάτω κύκλωμα:

 

Η AC τάση V_i = V_msinωt που παρέχει ο μετασχηματιστής από το δευτερεύον, η οποία είναι μια ημιτονοειδής τάση με μέγιστη τιμή V_m , εφαρμόζεται στο φορτίο, διαμέσου μιας διόδου σε σειρά μ' αυτό. Σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις, η τάση V_m είναι πολύ μεγάλη σε σύγκριση με την τάση γονάτου V_γ της διόδου και η αντίσταση της σε κατάσταση ορθής πόλωσης είναι πολύ μικρή σε σύγκριση με την αντίσταση φορτίου, γι' αυτό θεωρούμε την δίοδο ιδανική.

Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου της τάσης V_i η δίοδος είναι ΟΝ και στο κύκλωμα ρέει η πρώτη ημιπερίοδος ενός ημιτονοειδούς ρεύματος με πλάτος I_m=V_m/R_L , όπου R_L η αντίσταση φορτίου. Κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου της τάσης V_i , η δίοδος είναι OFF, έτσι το ρεύμα είναι μηδέν και κατά συνέπεια η τάση στο φορτίο είναι μηδέν. Έτσι στο φορτίο εμφανίζεται μια μεταβαλλόμενη συνεχή τάση. Επειδή υπάρχει ρεύμα μόνο για το μισό της περιόδου, το κύκλωμα ονομάζεται ανορθωτής μισού κύματος.

Όταν συνδέσουμε ένα βολτόμετρο στα άκρα της αντίστασης φορτίου, αυτό θα δείξει τη μέση τιμή της μεταβαλλόμενης συνεχής τάσης στα άκρα της. Εφαρμόζοντας τα μαθηματικά, βρίσκουμε για την μέση τιμή της τάσης φορτίου μια τιμή ίση με V_dc=V_m/π. Η ενεργό τιμή της μεταβαλλόμενης τάσης, ορίζεται σαν εκείνη η τιμή σταθερής τάσης που εμφανίζει το ίδιο ποσό θερμότητας σε μια αντίσταση με τη πραγματική τάση κατά τη διάρκεια μιας περιόδου. Μαθηματικά βρίσκεται ίσο με V_rms=V_m/2.

Διπλή ανόρθωση ή ανόρθωση πλήρους κύματος

Με τη χρησιμοποίηση δυο διόδων, όπως δείχνει το παρακάτω σχήμα, μπορεί να γίνει διπλή ανόρθωση, στην οποία η μια δίοδος άγει στη θετική ημιπερίοδο, ενώ η άλλη άγει στην αρνητική ημιπερίοδο της AC τάσης εισόδου. Έτσι και στις δυο ημιπεριόδους το ρεύμα ρέει με την ίδια κατεύθυνση στην αντίσταση φορτίου. Για να γίνει αυτό πρέπει τα σήματα στις ανόδους των δυο διόδων να έχουν μεταξύ τους διαφορά φάσης ίση με 180⁰, πράγμα που μπορεί να γίνει με τη χρησιμοποίηση ενός μετασχηματιστή που έχει μεσαία λήψη στο δευτερεύον.

Εφαρμόζοντας τα μαθηματικά, βρίσκουμε τη μέση τιμή της συνεχούς τάσης της εξόδου, που είναι η ένδειξη ενός βολτομέτρου συνδεδεμένου στην αντίσταση φορτίου, ίση με V_dc=2V_m/π, όπου V_m το πλάτος της τάσης. Επίσης βρίσκουμε την ενεργό τάση της μεταβαλλόμενης συνεχής τάσης της εξόδου, ίση με V_rms=V_m/√2

Συγκρίνοντας τις σχέσεις βλέπουμε ότι η (μέση τιμή της) συνεχή τάσης εξόδου στη διπλή ανόρθωση είναι διπλάσια εκείνης της απλής ανόρθωσης.

Διπλή ανόρθωση με γέφυρα

Είναι δυνατό να πετύχουμε διπλή ανόρθωση με χρήση μετασχηματιστή χωρίς μεσαία λήψη στο δευτερεύον, χρησιμοποιώντας τέσσερις διόδους ανόρθωσης όπως φαίνεται στο σχήμα:

 

Κατά τη θετική ημιπερίοδο της AC τάσης με πολικότητα όπως φαίνεται στο σχήμα, οι δίοδοι D₂ και D₄ άγουν. Στην επόμενη αρνητική ημιπερίοδο, η AC τάση του δευτερεύοντος, αλλάζει πολικότητα και άγουν οι δίοδοι D₁ και D₃. Αποτέλεσμα είναι ότι και στις δυο ημιπεριόδους, το ρεύμα διαρρέει την αντίσταση φορτίου με την ίδια κατεύθυνση, εμφανίζοντας στα άκρα της συνεχή τάση, μέσης τιμής ίση με V_dc=2V_m/π, ένώ η ενεργός τιμή της είναι V_rms=V_m/√2.

Φίλτρα πυκνωτών

Επειδή στην έξοδο του ανορθωτή η τάση αν και είναι συνεχής, παρουσιάζει κυμάτωση, απαιτείται πρόσθετη βαθμίδα φιλτραρίσματος.  Ο κύριος τρόπος φιλτραρίσματος πραγματοποιείται με παράλληλη σύνδεση ενός πυκνωτή με το φορτίο. Ο πυκνωτής αποθηκεύει ενέργεια κατά τη διάρκεια της περιόδου που η δίοδος άγει και αποδίδει την ενέργεια στο φορτίο κατα τη διάρκεια της περιόδου που η δίοδος δεν άγει.

Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ένα κύκλωμα απλής ανόρθωσης που περιλαμβάνει ένα πυκνωτή φιλτραρίσματος.

Κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου, που η δίοδος άγει, μεταξει των χρονικών στιγμών t₁ και t₂, ο πυκνωτής φορτίζεται ενώ ταυτόχρονα παρέχεται τάση στο φορτίο. Στο χρονικό διάστημα μεταξύ t₂ έως t₃ η τάση στο πυκνωτή είναι μεγαλύτερη από την τάση στην έξοδο του ανορθωτή, με αποτέλεσμα η δίοδος να μην άγει, ενώ ταυτόχρονα ο πυκνωτής να εκφορτίζεται δια μέσω της αντίστασης του φορτίου, περιορίζοντας την κυμάτωση.

Επειδή κατά την εκφόρτηση του πυκνωτή, η τάση στα άκρα του μειώνεται εκθετικά, στο φορτίο εμφανίζεται λίγη κυμάτωση, πολύ μικρότερη με εκείνη αν ο πυκνωτής δεν υπήρχε. Για να περιορίσουμε την κυμάτωση περεταίρω, ένας τρόπος είναι μειώνοντας τη διάρκεια εκφόρτισης του πυκνωτή χρησιμοποιώντας διπλή ανόρθωση, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.

Αν η συνολική τάση εκφόρτησης του πυκνωτή (τάση κυμάτωσης) συμβολιστεί με V_r τότε από το σχήμα προκύπτει κατά προσέγγιση η μέση τική της τάσης στο φορτίο ίση με: V_dc = V_m - V_r/2

Αν Τ₁ παριστάνει το συνολικό χρόνο που η δίοδος αποκόπτεται, ο πυκνωτής θα χάσει ένα ποσό φορτίου ίσο με Q₁=I_dcT₁. Έτσι για τη μεταβολή της τάσης V_r έχουμε: C=Q₁/V_r => V_r=I_dcT₁/C

Από την προηγούμενη σχέση βλέπουμε ότι, η τάση κυμάτωσης είναι μικρότερη όσο ο χρόνος εκφόρτησης του πυκνωτή είναι μικρότερος και όσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή. Καταλαβαίνουμε ότι στη διπλή ανόρθωση η κυμάτωση είναι περίπου η μισή από ότι στην απλή ανόρθωση για το λόγο ότι ο χρόνος εκφόρτησης του πυκνωτή εξομάλυνσης πέφτει σχεδόν στο μισό.

Μπορούμε να πετύχουμε καλύτερη εξομάλυνση της κυματομορφής εξόδου, αν χρησιμοποιήσουμε περισσότερα από ένα στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας, π.χ. πηνίο με μεγάλη τιμή αυτεπαγωγής σε σειρά με το φορτίο.

Διατάξεις σταθεροποίησης

Για να αποφύγουμε την κύματωση αλλά και να μπορέσουμε να ρυθμίσουμε την τάση εξόδου στο φορτίο, χρησιμοποιούμε διατάξεις σταθεροποίησης με ενεργά εξαρτήματα. Οι διατάξεις σταθεροποίησης χωρίζονται σε δυο κατηγορίες. Στις διατάξεις σταθεροποίησης τάσης, που συμπεριφέρονται σαν πηγές σταθερής τάσης και στις διατάξεις σταθεροποίησης ρεύματος, που συμπεριφέρονται σαν πηγές σταθερού ρεύματος. Στην ιδανική τους μορφή έχουν, οι πρώτες μηδενική εσωτερική αντίσταση και οι δεύτερες άπιρη εσωτερική αντίσταση.

Η σταθεροποίηση της τάσης DC επιτυγχάνεται συνήθως με κατάλληλα κυκλώματα που συνδέονται παράλληλα ή σε σειρά με το φορτίο του τροφοδοτικού ή με κυκλώματα ηλεκτρονικών διακοπτών ελεγχόμενης αγωγιμόπτητας, τα λεγόμενα switching regulators.

Σταθεροποίηση με ακόλουθο εκπομπού

Το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος είναι ένα παράδειγμα σταθεροποίησης με ακόλουθο εκπομπού. Ένα τρανζίστορ ισχύος συνδέεται σε σειρά με το φορτίο κατά μήκος των ακροδεκτών συλέκτη - εκπομπού, ενώ η βάση του συνδέεται σε μια τάση αναφοράς που δημιουργείται με μια δίοδο Zener και μια αντίσταση.

Η DC τάση εξόδου είναι V_out=V_z+V_BE. Αυτή η τάση είναι σταθερή ίση με την τάση Zener συν την τάση V_BE του τρανζίστορ που έχουν σταθερή τιμή. Αν η τάση V_in μεταβληθεί η τάση Zener παραμένει σχεδόν σταθερή και κατά συνέπεια σταθερή μένει και η τάση εξόδου.

Το ρεύμα που διαρρέει την δίοδο Zener γράφεται: I_Z = I_R - I_B. Για να λειτουργήσει η δίοδος στην περιοχή Zener πρέπει I_Z > 0 δηλαδή I_R>I_B. Επειδή I_R = (V_in-V_Z)/R και Ι_Β=Ι_C/β προκύπτει ότι R < β(V_in-V_Z)/I_C

Διάταξη σταθεροποιητή αρνητικής ανάδρασης

Στο παρακάτω σχήμα δίνεται ένα κύκλωμα σταθεροποιητή αρνητικής ανάδρασης:

 

Το τρανζίστορ Τ₂ ενεργεί σαν ακόλουθος εκπομπού. Το τρανζίστορ Τ₁ είναι μέρος του βρόγχου αρνητικής ανάδρασης. Εδώ μέρος της τάσης εξόδου V_F συγκρίνεται με την τάση αναφορά V_Z. To T₁ ενισχύει τη διαφορά V_F - V_R και τροφοδοτεί τη βάση του Τ₂.

Υποθέτουμε ότι η τάση φορτίου αυξάνει. Η τάση αρνητικής ανάδρασης V_F θα αρχίσει να αυξάνει. Ενώ η τάση εκπομπού του Τ₁ κρατείται σταθερή από την δίοδο Zener, περισσότερο ρεύμα περνάει μέσα από το Τ₁ και από την αντίσταση R₃. Αυτό μειώνει την τάση βάσης του Τ₂. Σαν αποτέλεσμα έχουμε μείωση της τάσης εκπομπού του Τ₂ αντισταθμίζοντας έτσι την αύξηση στην τάση φορτίου.

Εάν η τάση φορτίου ελαττώνεται η τάση ανάδρασης V_F ελαττώνεται. Αυτό περιορίζει το ρεύμα μέσα από το Τ₁ και R₃. Η υψηλότερη τάση στη βάση του T₂ αυξάνει την τάση εκπομπού του Τ₂ και στη συνέχεια αντισταθμίζει την πραγματική ελάττωση στη τάση φορτίου.

Κατά τη λειτουργία του κυκλώματος, ισχύει V_F=V_Z+V_BE. Το ρεύμα μέσα από την αντίσταση R₁ θα είναι Ι₁=V_F/R₁=(V_Z+V_BE)/R₁ . Όμως το ρεύμα βάσης του Τ₁ είναι πολύ μικρό και μπορούμε να το θεωρήσουμε μηδενικό. Επομένως το ρεύμα που θα διαρρέει την R₂ είναι το ίδιο με εκείνο της R₁ δηλαδή ίσο με I₁. Συνάγουμε ότι η τάση εξόδου είναι V_out=(R₁+R₂)I₁ => V_out=(V_Z+V_BE)(R₁+R₂)/R₁. Βλέπουμε ότι η τάση εξόδου έχει σταθερή τιμή και ρυθμίζεται από τον λόγο (R₁+R₂)/R₁. 

Περιοριστής ρεύματος

Αν στο κύκλωμα της προηγούμενης παραγράφου βραχυκυκλώσουμε το φορτίο, θα έχουμε ένα τεράστιο ρεύμα μέσα από το T₂. To T₂ ή η δίοδος ανόρθωσης ή και τα δυο θα καταστραφούν. Για να αποφύγουμε αυτές τις πιθανότητες χρησιμοποιούμε το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος:

 

Για φυσιολογικά ρεύματα η τάση στην αντίσταση R₄ είναι μικρή και το τρανζίστορ Τ₃ δεν άγει. Με αυτές τις συνθήκες ο σταθεροποιητής δουλεύει όπως περιγράψαμε. Αν όμως έχουμε υπερβολικό ρεύμα φορτίου τότε η τάση κατά μήκος της R₄ γίνεται αρκετά μεγάλη οπότε άγει το τρανζίστορ Τ₃. Το ρεύμα συλλέκτη του Τ₃ περνά μέσα από την R₃. Αυτό ελαττώνει την τάση βάσης του Τ₂ και το κάνει σχεδόν μη αγώγιμο για να προλάβει τη βλάβη.

Στο σχήμα ο περιοριστής ρεύματος αρχίζει όταν η τάση κατά μήκος της R₄ γίνει περίπου 0,6 ή 0,7V. Σ' αυτό το σημείο το τρανζίστορ T₃ ανοίγει και ελαττώνει την τάση του Τ₂. Αν R₄=1Ω ο περιοριστής ρεύματος αρχίζει όταν το ρεύμα φορτίου είναι 600 ή 700mA. Διαλέγοντας άλλες τιμές για την R₄ μπορούμε να αλλάξουμε το επίπεδο τη περιοριστή ρεύματος.