Λύσεις — Στοιχεία Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων (σελ. 68) – ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΕΛΕΓΧΩΝ ΚΑΙ ΔΙΑΓΝΩΣΕΩΝ Γ΄ ΕΠΑΛ
Λύσεις — Στοιχεία Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων
Λύσεις στις 14 ερωτήσεις του κεφαλαίου: ηλεκτρικό φορτίο, δομή ατόμου, αγωγοί/μονωτές/ημιαγωγοί, δίοδος και είδη διόδων (Zener, LED, φωτοδίοδος), τρανζίστορ, φωτοζεύκτης, ολοκληρωμένα κυκλώματα.
Απόδειξη ύπαρξης ηλεκτρικού φορτίου
Ερώτηση: Πώς αποδεικνύεται η ύπαρξη του ηλεκτρικού φορτίου;
Απάντηση:
- Πώς αποδεικνύεται η ύπαρξη του ηλεκτρικού φορτίου;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η ύπαρξη του ηλεκτρικού φορτίου αποδεικνύεται με απλά καθημερινά φαινόμενα τριβής: αν τρίψουμε ένα πλαστικό στυλό με ένα μάλλινο ύφασμα (π.χ. πουλόβερ ή τα μαλλιά μας) και το πλησιάσουμε πάνω από μικρά κομμάτια χαρτιού, θα παρατηρήσουμε ότι αυτά έλκονται από το στυλό. Παρόμοια φαινόμενα είναι τα μαλλιά που έλκονται από μια πλαστική χτένα όταν χτενιζόμαστε, οι ήχοι («κριτς-κρατς») που ακούγονται όταν βγάζουμε ένα μάλλινο πουλόβερ, το «κτύπημα» που νιώθουμε βγαίνοντας από ένα αυτοκίνητο πιάνοντας την πόρτα του, ή η μικρή «σπίθα» που βλέπουμε πλησιάζοντας το κλειδί στην κλειδαριά για να κλειδώσουμε το αυτοκίνητο. Όλα αυτά τα φαινόμενα αποδεικνύουν πειραματικά την ύπαρξη ηλεκτρικού φορτίου (ηλεκτρισμού).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Με φαινόμενα τριβής/στατικού ηλεκτρισμού (έλξη χαρτιών από τριμμένο στυλό, μαλλιά που έλκονται από χτένα, σπίθα στο κλειδί αυτοκινήτου κ.ά.)
Δομή ατόμου και ηλεκτρικό φορτίο
Ερώτηση: Πώς μπορεί να περιγραφεί η δομή ενός ατόμου και ποια η σχέση του με το ηλεκτρικό φορτίο;
Απάντηση:
- Πώς μπορεί να περιγραφεί η δομή ενός ατόμου και ποια η σχέση του με το ηλεκτρικό φορτίο;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το άτομο είναι η μικρότερη ποσότητα ύλης που υπάρχει στη φύση (ιδέα του Έλληνα φιλοσόφου Δημόκριτου) και αποτελείται από έναν «ακίνητο» πυρήνα, όπου βρίσκονται τα πρωτόνια και τα νετρόνια, και από ηλεκτρόνια, που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα. Το θετικό ηλεκτρικό φορτίο υπάρχει στα πρωτόνια, ενώ το αρνητικό φορτίο υπάρχει στα ηλεκτρόνια. Σε ποσότητα τα δύο είδη ηλεκτρικού φορτίου είναι μεταξύ τους ίσα (p = e = 1,6×10⁻¹⁹ Cb), με αποτέλεσμα το άτομο να παρουσιάζεται ηλεκτρικά ουδέτερο, εφόσον ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων είναι ο ίδιος. Σε περίπτωση όμως που, με κάποιο τρόπο (π.χ. με τριβή), αφαιρεθούν ηλεκτρόνια από ένα άτομο, τότε αυτό «φαίνεται» σαν θετικό ηλεκτρικό φορτίο (ιόν)· ενώ αν προστεθούν ηλεκτρόνια, το άτομο «φαίνεται» σαν αρνητικό φορτίο (ιόν).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Άτομο = πυρήνας (πρωτόνια θετικά + νετρόνια) + περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια (αρνητικά)· ίσος αριθμός = ουδέτερο άτομο· αφαίρεση/προσθήκη ηλεκτρονίων δημιουργεί θετικό/αρνητικό ιόν
Καλοί αγωγοί και μονωτές
Ερώτηση: Ποια υλικά σώματα χαρακτηρίζονται καλοί αγωγοί και ποια μονωτές;
Απάντηση:
- Ποια υλικά σώματα χαρακτηρίζονται καλοί αγωγοί και ποια μονωτές;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Υπάρχουν υλικά σώματα που χαρακτηρίζονται ως καλοί αγωγοί, συνήθως είναι μέταλα, που επιτρέπουν εύκολα, μέσα από τη μάζα τους, να κινούνται τα ηλεκτρόνια (δηλαδή το ηλεκτρικό ρεύμα). Υπάρχουν επίσης υλικά σώματα που χαρακτηρίζονται ως κακοί αγωγοί ή μονωτές, όπως τα πλαστικά και το ξύλο, που ΔΕΝ επιτρέπουν μέσα από τη μάζα τους να κινούνται τα ηλεκτρόνια.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Καλοί αγωγοί (συνήθως μέταλα) = επιτρέπουν εύκολα την κίνηση ηλεκτρονίων· κακοί αγωγοί/μονωτές (πλαστικά, ξύλο) = δεν την επιτρέπουν καθόλου
Οι ημιαγωγοί
Ερώτηση: Τι είναι οι ημιαγωγοί;
Απάντηση:
- Τι είναι οι ημιαγωγοί;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι ημιαγωγοί είναι υλικά σώματα (όπως οι δίοδοι, τα τρανζίστορ) που, κάτω από «ειδικές» συνθήκες, άλλοτε επιτρέπουν την κίνηση των ηλεκτρονίων μέσα από τη μάζα τους και άλλοτε όχι — σε αντίθεση με τους καλούς αγωγούς που την επιτρέπουν πάντα και τους μονωτές που δεν την επιτρέπουν ποτέ. Οι ημιαγωγοί έχουν πολύ μεγάλη εφαρμογή στις νέες τεχνολογίες του αυτοκινήτου, είτε ως αισθητήρες είτε ως επιμέρους εξαρτήματα ηλεκτρονικών κατασκευών.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ημιαγωγοί = υλικά που, κάτω από ειδικές συνθήκες (πόλωση, θερμοκρασία, φως), άλλοτε επιτρέπουν και άλλοτε όχι την κίνηση ηλεκτρονίων· μεγάλη εφαρμογή σε αισθητήρες/ηλεκτρονικά του αυτοκινήτου
Κατασκευή επαφής Ρ-Ν
Ερώτηση: Πώς κατασκευάζεται μια επαφή Ρ - Ν;
Απάντηση:
- Πώς κατασκευάζεται μια επαφή Ρ - Ν;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η δίοδος (επαφή Ρ-Ν) αποτελείται από δύο τμήματα ημιαγωγικών στοιχείων. Το ένα τμήμα, η επαφή Ρ (Positive), είναι ένας ημιαγωγός στον οποίο, με επιλεκτική πρόσμειξη των στοιχείων που τον αποτελούν (π.χ. Πυρίτιο και Αργίλιο), επιτυγχάνεται να υπάρχει έλλειψη ενός ηλεκτρονίου, δηλαδή να εμφανίζεται στην εξωτερική στιβάδα (στιβάδα σθένους) μια οπή. Το άλλο τμήμα, η επαφή Ν (Negative), είναι ένας άλλος ημιαγωγός που με επιλεκτική πρόσμειξη των στοιχείων που τον αποτελούν (π.χ. Πυρίτιο και Αρσενικό) επιτυγχάνεται να υπάρχει περίσσεια ενός ηλεκτρονίου. Τα δύο τμήματα «Ρ» και «Ν» δεν είναι δύο χωριστά κομμάτια που έχουν συγκολληθεί μεταξύ τους, αλλά δύο περιοχές ενός ενιαίου ημιαγωγού, με αυστηρά ελεγχόμενο και διαφορετικό εμπλουτισμό η κάθε μία. Ανάμεσα στα δύο τμήματα της διόδου δημιουργείται μια περιοχή αλληλοεξουδετέρωσης φορτίων, στη μία άκρη της οποίας επικρατεί συγκέντρωση αρνητικών ιόντων και στην άλλη συγκέντρωση θετικών ιόντων.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Δίοδος = ενιαίος ημιαγωγός με 2 περιοχές διαφορετικού εμπλουτισμού: Ρ (π.χ. Πυρίτιο+Αργίλιο, έλλειψη ηλεκτρονίου=οπή) και Ν (π.χ. Πυρίτιο+Αρσενικό, περίσσεια ηλεκτρονίου) — ανάμεσά τους περιοχή αλληλοεξουδετέρωσης
Αγωγός vs ημιαγωγός
Ερώτηση: Ποιες είναι διαφορές ανάμεσα σε ένα αγωγό και σε ένα ημιαγωγό;
Απάντηση:
- Ποιες είναι διαφορές ανάμεσα σε ένα αγωγό και σε ένα ημιαγωγό;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ένας (καλός) αγωγός επιτρέπει πάντα, εύκολα, μέσα από τη μάζα του, την κίνηση των ηλεκτρονίων (το ηλεκτρικό ρεύμα), ανεξάρτητα από τις συνθήκες. Αντίθετα, ένας ημιαγωγός επιτρέπει την κίνηση των ηλεκτρονίων μόνο κάτω από «ειδικές» συνθήκες, ενώ σε άλλες συνθήκες δεν την επιτρέπει καθόλου, συμπεριφερόμενος σαν μονωτής. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η δίοδος: όταν πολωθεί ορθά (οι κατάλληλες συνθήκες), άγει το ρεύμα σαν καλός αγωγός· όταν πολωθεί ανάστροφα, δεν άγει καθόλου και συμπεριφέρεται σαν ανοιχτός διακόπτης (μονωτής).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ο αγωγός επιτρέπει πάντα την κίνηση ηλεκτρονίων· ο ημιαγωγός την επιτρέπει μόνο κάτω από ειδικές συνθήκες (π.χ. ορθή πόλωση σε μια δίοδο) και άλλοτε συμπεριφέρεται σαν μονωτής
Δίοδος σε ανάστροφη πόλωση
Ερώτηση: Γιατί μια δίοδος, όταν πολωθεί ανάστροφα, γίνεται κακός αγωγός (διακόπτης);
Απάντηση:
- Γιατί μια δίοδος, όταν πολωθεί ανάστροφα, γίνεται κακός αγωγός (διακόπτης);
Σύνοψη: (ενδεικτική) Αν συνδεθεί το τμήμα Ρ της διόδου (άνοδος) με τον αρνητικό πόλο μιας πηγής και το τμήμα Ν (κάθοδος) με τον θετικό πόλο (ανάστροφη πόλωση), η περιοχή αλληλοεξουδετέρωσης φορτίων της διόδου αυξάνεται περισσότερο, με αποτέλεσμα να μην μπορούν ούτε τα ηλεκτρόνια ούτε οι οπές να «υπερβούν το χάσμα» που έχει δημιουργήσει η ανάστροφη πόλωση. Έτσι δεν υπάρχει κίνηση φορτίων μέσα από τη δίοδο, δηλαδή δεν περνά ηλεκτρικό ρεύμα, και η δίοδος λειτουργεί σαν ηλεκτρονικός διακόπτης, χωρίς να επιτρέπει τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Σε ανάστροφη πόλωση η περιοχή αλληλοεξουδετέρωσης μεγαλώνει, εμποδίζοντας ηλεκτρόνια/οπές να «υπερβούν το χάσμα» — άρα δεν περνά ρεύμα, λειτουργεί σαν ανοιχτός διακόπτης
Η δίοδος ως ανορθωτής
Ερώτηση: Πώς εξηγείτε τη χρήση της διόδου ως ανορθωτή;
Απάντηση:
- Πώς εξηγείτε τη χρήση της διόδου ως ανορθωτή;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η δίοδος έχει την ιδιότητα, χάρη στην κατασκευή της, να επιτρέπει τη διέλευση του ηλεκτρικού ρεύματος προς μία μόνο κατεύθυνση, όταν συνδεθούν τα άκρα της με τη σωστή πολικότητα (ορθή πόλωση), ενώ σε ανάστροφη πόλωση λειτουργεί σαν ηλεκτρονικός διακόπτης που δεν επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος. Χάρη σε αυτή την ιδιότητα, η δίοδος χρησιμοποιείται κυρίως για τη μετατροπή της εναλλασσόμενης τάσης σε συνεχή, διαδικασία που ονομάζεται ανόρθωση (γι' αυτό οι δίοδοι αποκαλούνται και ανορθωτές): αφού επιτρέπει το ρεύμα μόνο προς τη μία κατεύθυνση, «κόβει» ουσιαστικά το αρνητικό ημικύκλιο της εναλλασσόμενης τάσης, αφήνοντας να περάσει μόνο το θετικό, με αποτέλεσμα να προκύπτει συνεχές (μονόδρομο) ρεύμα. Στο αυτοκίνητο, οι δίοδοι χρησιμοποιούνται στο κύκλωμα φόρτισης, για να μετατρέψουν την τριφασική εναλλασσόμενη τάση που παράγει ο εναλλακτήρας σε συνεχή τάση.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Η δίοδος αφήνει το ρεύμα να περάσει μόνο προς μία κατεύθυνση (ορθή πόλωση) → «κόβει» το ένα ημικύκλιο της AC τάσης → ανόρθωση σε DC· εφαρμογή: κύκλωμα φόρτισης εναλλακτήρα αυτοκινήτου
Χρήση διόδου Zener
Ερώτηση: Πώς χρησιμοποιείται η δίοδος Zener σε ένα κύκλωμα;
Απάντηση:
- Πώς χρησιμοποιείται η δίοδος Zener σε ένα κύκλωμα;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Η δίοδος Ζένερ λειτουργεί ως μια κοινή δίοδος, με τη διαφορά ότι μπορεί να λειτουργεί και με ανάστροφη πόλωση χωρίς να καταστρέφεται, μέχρι την ανάστροφη τάση που είναι χαρακτηριστικό μέγεθός της (τάση Ζένερ). Χρησιμοποιείται κυρίως για τη ρύθμιση τάσεων: οι ηλεκτρονικοί αυτόματοι ρυθμιστές τάσης των αυτοκινήτων είναι ηλεκτρονικά κυκλώματα που ρυθμίζουν την τάση του μαγνητικού πεδίου (διέγερση) του εναλλακτήρα, ανάλογα με τις στροφές και το ηλεκτρικό φορτίο, με τη χρήση διόδων Ζένερ. Η δίοδος Ζένερ μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για προστασία από υπερτάσεις σε ηλεκτρονικά κυκλώματα: όταν η τιμή της τάσης σε ένα κύκλωμα υπερβεί την τάση Ζένερ, η δίοδος γίνεται αγώγιμη και βραχυκυκλώνει το κύκλωμα. Έτσι, η δίοδος Ζένερ είτε προκαλεί πτώση της υπέρτασης είτε προκαλεί βραχυκύκλωμα καίγοντας κάποια ασφάλεια, ανάλογα με τον σκοπό για τον οποίο προορίζεται και τον τρόπο συνδεσμολογίας της.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ρύθμιση τάσεων (π.χ. ρυθμιστής τάσης εναλλακτήρα) και προστασία από υπερτάσεις (γίνεται αγώγιμη πάνω από την τάση Ζένερ, προκαλώντας πτώση τάσης ή βραχυκύκλωμα/κάψιμο ασφάλειας)
Ακροδέκτες τρανζίστορ
Ερώτηση: Πώς ονομάζονται οι ακροδέκτες ενός τρανζίστορ;
Απάντηση:
- Πώς ονομάζονται οι ακροδέκτες ενός τρανζίστορ;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το ένα ακραίο τμήμα του τρανζίστορ ονομάζεται συλλέκτης (collector) και συμβολίζεται με το λατινικό γράμμα (C), ενώ το άλλο ακραίο τμήμα ονομάζεται εκπομπός (emitter) και συμβολίζεται με το γράμμα (E). Το μεσαίο τμήμα του τρανζίστορ, που είναι και το πιο μικρό, λέγεται βάση (base) και συμβολίζεται με το γράμμα (B).
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Συλλέκτης (C), Εκπομπός (E), Βάση (B)
Κύρια χρήση τρανζίστορ
Ερώτηση: Ποια η κύρια χρήση ενός τρανζίστορ;
Απάντηση:
- Ποια η κύρια χρήση ενός τρανζίστορ;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Το τρανζίστορ χρησιμοποιείται στα κυκλώματα είτε ως διακόπτης, είτε ως ρελέ, αλλά η κύρια χρήση του είναι ως ενισχυτής. Αυτό οφείλεται στο ότι το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα βάσης-εκπομπού είναι πάρα πολύ μικρότερο από το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα συλλέκτη-εκπομπού: μικραίνοντας ή μεγαλώνοντας το (μικρό) ρεύμα βάσης, μικραίνει ή μεγαλώνει αντίστοιχα το (πολύ μεγαλύτερο) ρεύμα εξόδου συλλέκτη-εκπομπού. Εκτός από ενισχυτής, το τρανζίστορ χρησιμοποιείται και για τον έλεγχο κυκλωμάτων, όπως π.χ. στην ηλεκτρονική ανάφλεξη (όπου αντικαθιστά τις μηχανικές πλατίνες), στα μπεκ, στα φώτα κ.ά.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Κύρια χρήση: ενισχυτής (μικρή μεταβολή ρεύματος βάσης → μεγάλη μεταβολή ρεύματος συλλέκτη-εκπομπού)· επίσης ως διακόπτης ή ρελέ, π.χ. στην ηλεκτρονική ανάφλεξη
Φωτοζεύκτης
Ερώτηση: Τι είναι και πώς λειτουργεί ένας φωτοζεύκτης;
Απάντηση:
- Τι είναι και πώς λειτουργεί ένας φωτοζεύκτης;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Ο φωτοζεύκτης (ή οπτοζεύκτης, optocoupler) είναι μια διάταξη που συνήθως αποτελείται από ένα L.E.D. που εκπέμπει φως και «διεγείρει» απέναντί του τη βάση ενός φωτοτρανζίστορ, το οποίο έχει την ίδια κατασκευή με ένα τρανζίστορ αλλά χωρίς συνήθως ακροδέκτη βάσης (η βάση είναι διαφανής και ενεργοποιείται όταν πέσει πάνω της φως). Συνήθως, ανάμεσα στο LED και στο φωτοτρανζίστορ περιστρέφεται ένας δίσκος με τρύπες ή μια φτερωτή ή ένα εκκρεμές, που διακόπτει περιοδικά το φως του LED, με αποτέλεσμα να διεγείρεται ή όχι το φωτοτρανζίστορ και να καταγράφεται ένα παλμικό σήμα εξόδου, αντίστοιχο π.χ. των στροφών ενός κινητήρα. Έτσι ο φωτοζεύκτης χρησιμοποιείται στο αυτοκίνητο σε αισθητήρες, όπως αισθητήρες στροφών ή ταχύτητας.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Φωτοζεύκτης = LED (πηγή φωτός) + φωτοτρανζίστορ (ενεργοποιείται με φως)· ένας περιστρεφόμενος δίσκος/φτερωτή διακόπτει το φως ανάμεσά τους, παράγοντας παλμικό σήμα — χρήση σε αισθητήρες στροφών/ταχύτητας
Ολοκληρωμένα κυκλώματα
Ερώτηση: Τι είναι ολοκληρωμένα κυκλώματα;
Απάντηση:
- Τι είναι ολοκληρωμένα κυκλώματα;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (Integrated Circuits, ICs) είναι ένας συνδυασμός από διόδους, τρανζίστορ, πυκνωτές και αντιστάσεις, συνδεδεμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να αποτελούν χιλιάδες ηλεκτρικά κυκλώματα, τοποθετημένα μέσα σε ένα τσιπ σιλικόνης, εμβαδού μερικών τετραγωνικών χιλιοστών (συνήθως 3-30 mm²), κλεισμένα σε ένα πλαστικό ή κεραμικό κάλυμμα. Δημιουργήθηκαν από την ανάγκη κατασκευής ηλεκτρικών-ηλεκτρονικών διατάξεων με μικρό βάρος, όγκο, με αξιοπιστία, εύκολη διάγνωση και χαμηλό κόστος.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- Ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC) = συνδυασμός διόδων/τρανζίστορ/πυκνωτών/αντιστάσεων σε ένα τσιπ σιλικόνης λίγων mm², σε πλαστικό/κεραμικό κάλυμμα
Ταξινόμηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
Ερώτηση: Πώς ταξινομούνται τα ολοκληρωμένα κυκλώματα;
Απάντηση:
- Πώς ταξινομούνται τα ολοκληρωμένα κυκλώματα;
Σύνοψη: (ενδεικτική) Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα μπορούν να ταξινομηθούν ανάλογα: (α) με τον τρόπο λειτουργίας τους, και (β) με το μέγεθος, δηλαδή τον αριθμό στοιχείων που περιλαμβάνουν ανά τσιπ (chip). Ως προς τον τρόπο λειτουργίας τους ταξινομούνται σε αναλογικά (ή γραμμικά) ολοκληρωμένα κυκλώματα, που περιλαμβάνουν συνήθως διάφορους ενισχυτές ή σταθεροποιητές τάσης και επεξεργάζονται αναλογικά σήματα, και σε ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα, που περιλαμβάνουν λογικά κυκλώματα, συνδυασμούς λογικών κυκλωμάτων, flip-flop κ.λπ. και επεξεργάζονται ψηφιακά σήματα. Ως προς το μέγεθος, ανάλογα με τον αριθμό των στοιχείων (τρανζίστορ, διόδων, αντιστάσεων, πυκνωτών) που μπορεί να έχει ένα τσιπ, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα ταξινομούνται σε: μικρής κλίμακας ολοκλήρωσης (SSI), με περίπου 100 στοιχεία ανά chip· μεσαίας κλίμακας ολοκλήρωσης (MSI), με περίπου 300 έως 1000 στοιχεία ανά chip· μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (LSI), με περίπου 10.000 στοιχεία ανά chip· και πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI), που ξεπερνούν τα 100.000 στοιχεία ανά chip.
Κριτήρια αξιολόγησης:
- (α) Ως προς λειτουργία: αναλογικά/γραμμικά ή ψηφιακά. (β) Ως προς μέγεθος (στοιχεία/chip): SSI (~100), MSI (~300-1000), LSI (~10.000), VLSI (>100.000)
