Elektroniikkakomponentteja

Aina kun löydetään periaatteeltaan uusi tapa käyttää hyväksi sähkövirtaa tai jännitettä, avautuu suuri määrä teknisiä sovelluksia missä sitä voi hyödyntää. Esimerkiksi niinkin yksinkertainen asia kuin aiemmin esitellyt PTC- ja NTC-vastukset, joiden resistanssi riippuu merkittävästi sähkövirran suuruudesta, ovat mahdollistaneet suuren määrän nykyisin käytössä olevia laitteita.

Elektroniikassa suunnitellaan ja valmistetaan sellaisia laitteita, jotka käyttävät sähkövirtaa ja jännitettä eri tavoin hyväksi. Esimerkiksi älypuhelimet ja tietokoneet perustuvat mikropiireihin, joissa käytetään vastusten ja jännitelähteiden lisäksi myös sellaisia komponentteja kuten kondensaattori, transistori ja diodi. Diodi on esimerkki puolijohteesta, joita käsittelemme alla tarkemmin - arkielämässä törmäät esimerkiksi valodiodeihin eli ledeihin (LED = light emitting diode) päivittäin.

Kondensaattori

Kondensaattori on elektroniikkakomponentti, johon voidaan varata verrattain suuri määrä sähköenergiaa. Se eroaa esimerkiksi akusta siinä, että siihen varastoitu energia voidaan purkaa erittäin nopeasti, jolloin saadaan hetkeksi aikaan suuri teho. Kondensaattoreita

käytetäänkin esimerkiksi kameroiden salamavaloissa ja televisiosarjoistakin tutuissa deﬁbrillattoreissa.

Kondensaattoreita on erilaisia. Yksinkertaisin niistä on levykondensaattori, joka koostuu kahdesta eristeellä erotetusta johdinlevystä. Se ladataan kytkemällä sen levyt jännitelähteen napoihin, jolloin ne varautuvat samaan potentiaaliin kuin jännitelähteen napajännite. Negatiiviseen napaan kytketylle johdinlevylle syntyy negatiivinen varaus Q ja positiiviselle levylle yhtä suuri positiivinen varaus. Levyjen välissä olevan eristeen tarkoitus on estää elektroneja hyppäämästä negatiiviselta levyltä positiiviselle levylle. Tätä kutsutaan kondensaattorin läpilyönniksi ja kondensaattorin suurinta mahdollista jännitettä ennen läpilyöntiä sen läpilyöntikestävyydeksi. Levykondensaattori puretaan yhdistämällä johdinlevyt toisiinsa, jolloin sähkövirta, eli purkausvirta, pääsee kulkemaan positiivisesti varatulta levyltä negatiiviselle ja levyjen välinen jännite häviää.

Erilaiset kondensaattorit pystyvät annetulla jännitteellä U varaaman eri määrän sähkövarausta. Tätä sähkönvarauskykyä kutsutaan kondensaattorin kapasitanssiksi (symboli C). Sitä voidaan tutkia varaamalla kondensaattori eri jännitteillä ja määrittämällä siitä vapautuva kokonaisvaraus. Varausta ei saada mitattua suoraan, mutta se voidaan määrittää mittaamalla kondensaattorista saatavaa purkausvirtaa, kuten seuraavassa esimerkissä nähdään.

Levykondensaattoria merkitään yhdensuuntaisilla levyillä.

Kondensaattori ladataan sulkemalla alempi virtapiiri. Sen jälkeen alempi kytkin avataan ja kondensaattori puretaan lampun läpi sulkemalla ylempi virtapiiri.

Kondensaattorin varauksen ja kapasitanssin määrittäminen

Koska sähkövirta kertoo meille kuinka paljon varausta siirtyy aikayksikössä, pätee lyhyellä aikavälillä siirtyneelle varaukselle

Jos virta pysyisi vakiona, saataisiin siirtynyt varaus kertomalla virtaa käytetyllä ajalla, mutta kondensaattorin tapauksessa näin ei voida tehdä, sillä virta pienenee ajan kuluessa. Maksimivirta saadaan heti sen jälkeen, kun ladatun kondensaattorin purku alkaa. Virran suuruus pienenee eksponentiaalisesti ja tippuu nollaan melko nopeasti. Kokonaisvaraus saadaan sähkövirrasta integroimalla. Jos opiskelet pitkää matematiikkaa, opit integroimaan erilaisia funktioita vielä lukion aikana, mutta lukiofysiikan ilmiöissä pärjäämme käyttämällä graaﬁsta integrointia, eli mittauskäyrän ja x-akselin väliin jäävän pinta-alan määrittämistä kuvaajasta.

Graaﬁnen integrointi tarkoittaa tässä tapauksessa (t,I)-koordinaatistossa virran kuvaajan alle jäävän pinta-alan arvioimista. Sähkövirran kuvaajan muodon vuoksi silmämääräistä arviota on hankala antaa kovinkaan tarkasti, mutta onneksi analyysin voi yleensä tehdä tietokoneella. Kätevä ohjelma tähän on fysiikan mittauksiin tarkoitettu LoggerPro, jossa integrointityökalu löytyy pikavalintana.

Käydään seuraavaksi esimerkin vuoksi läpi kevään 2019 yokokeessa ollut haastava kondensaattoritehtävä. Samalla opitaan, kuinka kondensaattorin kapasitanssi voidaan määrittää.

Kondensaattorin varaus saadaan purkuvirran kuvaajan alle jäävänä pinta-alana. Kuvaajan muodosta johtuen graaﬁnen integrointi kannattaa tehdä tietokoneohjelmistolla, jos vain mahdollista.

”YO kevät 2019: Kondensaattorin kapasitanssin määrittäminen (15 p.) Kondensaattori ladattiin kolmella eri jännitteen arvolla. Varaus purettiin kondensaattorin kanssa sarjaankytketyn vastuksen kautta, ja samalla mitattiin piirissä kulkeva sähkövirta ajan funktiona. Mittauksessa käytettiin 3,0 V:n, 6,0 V:n ja 9,0 V:n jännitteitä. Määritä kondensaattorin kapasitanssi käyttäen mittausaineiston 3.A kolmea eri mittaussarjaa. Käy vastauksessasi läpi määrityksen vaiheet ja saamasi lopputulos.”

Ratkaisu: Tehtävään kuuluva aineisto annettiin muodossa, jonka voi viedä haluaamaansa ohjelmistoon, tehdään se tässä LoggeProohjelmalla. Valitsemalla ”Lisää-> Kuvaaja” saa aineistosta purkuvirran kuvaajan (huomaa myös oikein merkityt koordinaattiakselit)

Yo-tehtävän aineistosta piirretty purkuvirran kuvaaja.

Kuvaajassa näkyy kolmella eri jännitteellä mitattu purkausvirta, joka jokaisessa tapauksessa pienenee nollaan hieman yli sekunnissa. Mitä suurempi on lataukseen käytetty jännite, sitä suurempi on myös kondensaattorista saatava maksimivirta. Valitsemalla koko datasarja ja käyttämällä ”Integroi”-toimintoa, saadaan määritettyä kuvaajien alle jäävät pinta-alat.

Kondensaattorin varaus on sähkövirran kuvaajan ja t-akselin väliin jäävä pinta-ala.

LoggerPro antaa pinta-alan yksikössä µAs, joka vastaa mikro-coulombeja:

Nyt meillä on kolmella eri latausjännitteellä U mitattu kokonaisvaraus Q. Voimme tutkia varauksen riippuvuutta jännitteestä viemällä tulokset (U,Q)-koordinaatistoon (kolme mittauspistettä, joihin on lisätty origo neljänneksi.)

Kondensaattorin varaus riippuu lineaarisesti latausjännitteestä

Huomataan, että jännitteen ja varauksen suhde on lineaarinen, joten sovitetaan mittaustuloksiin suora ja katsotaan sen kulmakerrointa. Mittaustuloksiin sovitetun suoran yhtälö on

Q = CU,

missä kulmakerroin

C ≈2,7 µC/V

Mittaustuloksiin sovitettu suora. Kapasitanssi on tämän suoran kulmakerroin

kertoo meille kuinka monta coulombia varausta kondensaattoriin latautuu käytettyä volttia kohden. Tätä verrannollisuuskerrointa kutsutaan kondensaattorin kapasitanssiksi ja sille käytetään myös yksikköä faradi (F = C/V).

Vastaus: Kondensaattorin kapasitanssi on noin C ≈2,7 µF.

Kapasitanssiin vaikuttavat tekijät

Äskeisen esimerkin avulla näimme kondensaattorilevyjen sähkövarauksen ja jännitteen olevan suoraan verrannollisia

Q = CU

Tätä kutsutaan kondensaattorilaiksi. Tälläkin mallilla on soveltumisalueensa, sillä jos käytetty jännite ylittää kondensaattorin läpilyöntikestävyyden, hyppäävät elektronit suoraan negatiiviselta levyltä positiiviselle levylle. Läpilyönnin sattuessa on vaara, että kondensaattori vioittuu. Erilaisilla kondensaattoreilla on eri kapasitanssi, joka siis kertoo kuinka paljon sähkövarausta kondensaattoriin saadaan ladattua annetulla jännitteellä. Kapasitanssi voidaan laskea levyjen pintaalan A, levyjen välisen etäisyyden d ja levyjen välissä olevan aineen suhteellisen resistiivisyyden εr avulla:

Kapasitanssin laskukaavan johtaminen vaatii lukiotiedot ylittävää matematiikkaa, joten tyydymme tässä perustelemaan valmiiksi annettua tulosta.

Riippuvuus pinta-alasta on luonnollinen, suurempiin levyihin siirtyy enemmän varausta saman jännitteen vaikutuksesta. Seuraava esimerkki toivottavasti valottaa kapasitanssin riippuvuutta levyjen välisestä etäisyydestä d.

Esimerkki: Levykondensaattori (d,A,εr) varataan käyttäen jännitelähdettä (jännite U). Tämän jälkeen kondensaattori kytketään irti jännitelähteestä ja kondensaattorin levyjen etäisyys kasvatetaan kaksinkertaiseksi, d→2d. Miten muuttuu kondensaattorin kapasitanssi ja levyjen välinen jännite?

Ratkaisu: Voimme käyttää levykondensaattorin kapasitanssin laskukaavaa:

Kapasitanssi siis puolittuu, kun levyjen välinen etäisyys kaksinkertaistuu. Kondensaattori on kytketty irti jännitelähteestä, kun levyjen välistä etäisyyttä kasvatetaan, joten levyjen varaus ei voi enää muuttua. Koska kondensaattorille pätee kummassakin tilanteessa yhtälö

Q = CU

täytyy levyjen välisen jännitteen U kaksinkertaistua, jos kapasitanssi C puolittuu ja varaus Q pysyy samana. Jännite siis kaksinkertaistuu.

Mutta miten jännite voi yhtäkkiä kasvaa? Sehän tarkoittaisi, että yhtä varausta kohden on nyt kaksi kertaa niin paljon energiaa kuin aikaisemmin. Tämä pitää paikkansa, mutta huomaa, että meidän on täytynyt tehdä työtä siirtääksemme toisiaan puoleensa vetäviä varattuja johdinlevyjä kauemmaksi toisistaan. Kondensaattoriin ladattu energia on kaksinkertaistunut ja levyjen siirtoon tehty työ on yhtä suuri kuin tämä energian lisäys.

Vastaus: Kapasitanssi puolittuu ja levyjen välinen jännite kaksinkertaistuu.

Kondensaattorin energia

Kun kondensaattori puretaan, energiaa vapautuu kun elektronit liikkuvat negatiiviselta levyltä positiiviselle levylle. Kuten aiemmin nähtiin, purkausvirta on ensin suurimmillaan ja laskee kohti nollaa kondensaattorin tyhjentyessä. Samalla myös levyjen välinen jännite laskee, kun niiden varaus pienenee, sillä

Sähkövirran ja jännitteen väheneminen pienentää myös tehoa, sillä

Tämä voidaan tietenkin myös testata: kytkemällä purkautuvaan kondensaattoriin esimerkiksi lamppu, nähdään kuinka lamppu palaa ensin kirkkaasti, mutta himmenee nopeasti.

Energiaa vapautuu siis aluksi eniten ja ajan kuluessa aina vain vähemmän. Kondensaattorista vapautuvan kokonaisenergian lauseke voitaisiin taas johtaa sähkövirrasta ja jännitteestä integroimalla, mutta todetaan tässä vain tulos:

missä Q ja U ovat kondensaattorin varaus ja jännite ennen purkamista. Jännite kertoo kuinka paljon yhtä coulombia kohden on energiaa ( V = J/C), joten yksiköksi saadaan joule niin kuin pitääkin.

Energian lauseke voidaan kirjoittaa myös muissa muodoissa käyttämällä hyväksi kondensaattorilakia Q = CU:

Esimerkki: Levykondensaattori on rakennettu kahdesta ympyränmuotoisesta johdinlevystä (r = 15 cm), jotka on erotettu toisistaan 2,2 mm paksuisella PVC-muovikerroksella. Kondensaattori kytketään ensin 9,0 V paristoon, jonka jälkeen se puretaan hehkulampun avulla. Kuinka suuri kokonaisenergia kondensaattorista vapautuu?

Ratkaisu: Kondensaattorista vapautuva energia saadaan laskettua, jos sen kapasitanssi ja jännite tunnetaan. Jännite on tehtävässä annettu 9,0 V, mutta kapasitanssi täytyy määrittää levykondensaattorin kapasitanssin laskukaavalla. PVC-muovin suhteellinen permittiivisyys on noin εr ≈3,4, joten

Kapasitanssin ja jännitteen avulla voidaan laskea kondensaattorin kokonaisenergia:

Kytkentäkaavio esimerkin tilanteesta.

Vastaus: Energiaa vapautuu noin 78 nJ eli todella vähän. (Esimerkiksi yhden vesigramman lämmittäminen yhdellä asteella vaatii noin 4 joulea energiaa).

Useimmissa kondensaattorien sovelluksissa (esim. deﬁbrillaattori) energiaa tarvitaan enemmän, jolloin sekä kapasitanssi, että käytetty jännite ovat noin tuhatkertaisia. Laske kuinka paljon kapasitanssin ja jännitteen tuhatkertaistaminen vaikuttaa purkautuvaan kokonaisenergiaan.

Puolijohteet

Puolijohteet ovat sekä huonoja johteita, että huonoja eristeitä. Ne ovat siis sähkönjohtokyvyltään nimensä mukaisesti jossain varsinaisten johteiden (esimerkiksi kupari) ja eristeiden (esimerkiksi posliini) välimaastossa. Puolijohteiden laaja käyttö elektroniikassa perustuu pitkälti kykyyn muokata niiden sähkönjohtokykyä, mikä voidaan tehdä esimerkiksi lisäämällä niihin epäpuhtauksia.

Puolijohteista rakennetuilla komponenteilla, kuten diodeilla ja transistoreilla on elektronisten laitteiden rakentamista ajatellen monia hyödyllisiä ominaisuuksia ja niitä käytetään monissa sovelluksissa tietokoneista aurinkokennoihin. Puolijohdekomponentit ovat lisäksi pieniä, tarvitsevat hyvin pienen sähkövirran toimiakseen ja ne toimivat luotettavasti pitkiäkin aikoja ilman kulumista.

Kuten kohta näemme tarkemmin, hyvät puolijohdemateriaalit löytyvät jaksollisen järjestelmän keskivaiheilta, esimerkiksi hiiliryhmästä löytyvä pii on yleisimmin käytetty puolijohde.

Diodi

Diodin rakenteen ymmärtäminen vie aikansa, mutta sen yleisin käyttötarkoitus on yksinkertainen: diodi päästää virtaa vain yhteen suuntaan. Jos kytket diodin, esimerkiksi ledin, jännitelähteeseen oikein päin (eli päästösuuntaan) saat sen palamaan, mutta väärinpäin (eli estosuuntaan) kytkettynä lamppu ei syty. Tätä käytetään hyväksi esimerkiksi pistorasiasta saatavan vaihtovirran muuttamiseen meille tutuksi tasavirraksi. Vaihtovirran suunta muuttuu jaksollisesti, mutta esimerkiksi puhelimen akun lataaminen onnistuu vain tasavirralla. Vaihtovirta tasasuunnataan tasavirraksi käyttämällä diodeja.

Yksinkertaisin tapa on lisätä virtapiiriin yksittäinen diodi, joka poistaa jaksollisesta sähkövirrasta toiseen suuntaan kulkevan osan. Tällöin vain puolet vaihtovirrasta saadaan hyötykäyttöön, joten oikeissa sovelluksissa käytetään järkevämpiä ratkaisuita, kuten tasasuuntaussiltaa.

Vaihtovirtaa ja vaihtojännitettä käsitellään lisää moduulissa FY7.

Diodi päästää virtaa vain nuolen suuntaan.

Yksittäinen diodi kytkettynä vaihtovirtalähteeseen estää toiseen suuntaan kulkevan sähkövirran.

Tasasuuntaussillan avulla voidaan kaikki teho ohjata haluttuun suuntaan kuten tasavirtaa käytettäessä.

Toinen diodin hyödyllinen ominaisuus on sen kynnysjännite. Jokaisella diodilla on sille ominainen jännitteen arvo, jota pienemmillä jännitteillä virta ei lähde kulkemaan. Kun kynnysjännite ylittyy, kasvaa virran suuruus nopeasti ja virtapiiri ikäänkuin kytkeytyy päälle. Diodeista voi siis rakentaa esimerkiksi jännitteestä riippuvia kytkimiä.

Estosuuntaan kytketyn diodinkin läpi voi kulkea sähkövirta, jota kutsutaan estovirraksi. Tämä edellyttää päästösuuntaan kytkettyyn diodiin verrattuna paljon suuremman kynnysjännitteen ylittämistä, ja tämä voi rikkoa diodin. Joissakin komponenteissa, kuten valokennoissa estovirta on osa laitteen suunniteltua toimintaa.

Diodin rakenne - Lisätietoa OPS:n ulkopuolelta

Diodeja on erilaisia, tutustumme tässä niistä yhteen yleisimmin käytetyistä (ja useissa koetehtävissä kysytyistä), eli pn-liitokseen. Pn-liitos koostuu kahdesta yhteenliitetystä puolijohteesta, joilla on tietyssä mielessä päinvastaiset ominaisuudet. Näitä puolijohdetyyppejä kutsutaan p-tyypin puolijohteiksi ja n-tyypin puolijohteiksi. P-tyypin puolijohteissa varauksenkuljettajat ovat positiivisia, n-tyypin puolijohteissa negatiivisia.

P- ja n-tyypin puolijohteet valmistetaan samanlaisella periaatteella, aloitetaan n-tyypistä. Otetaan hiiliryhmän (eli jaksollisen järjestelmän neljännen ryhmän) alkuaine, esimerkiksi pii (tunnus Si). Piillä on säännöllinen hilarakenne, jossa jokainen atomi muodostaa neljä kovalenttista sidosta vierekkäisiin atomeihin. Pii käyttää jokaiseen sidokseen yhden uloimman kuoren elektroneistaan ja jokainen sidos koostuu vierekkäisten atomien elektronien muodostamasta elektroniparista.

Jos korvaamme yhden pii-atomeista typpiryhmän (eli viidennen ryhmän) alkuaineella (esim. arseeni, As), tekee se neljällä ulkoelektronillaan neljä sidosta viereisiin pii-atomeihin. Viides ulkoelektroni jää ylimääräiseksi varauksenkuljettajaksi puolijohteeseen. Tällaista ylimääräisen elektronin luovuttanutta atomia kutsutaan donoriksi.

P-tyypin puolijohde saadaan aikaan lisäämällä pii-atomin paikalle booriryhmän (eli kolmannen ryhmän) alkuaine (esim. boori, B), jolla on yksi ulkoelektroni vähemmän kuin piillä. Tällöin puolijohdekiteen sidoksiin jää yhden elektronin vajaus, jota kutsutaan aukoksi. Tämä aukko voi siirtyä paikasta toiseen, jos siihen siirtyy viereisistä sidoksesta elektroni. Näin positiivisesti varatut aukot voivat toimia varauksenkuljettajina. Tällaista sidoselektronin vajauksen muodostanutta atomia kutsutaan akseptoriksi.

Puolijohteiden nykymallit perustuvat kvanttimekaniikkaan. Emme sukella tässä aivan niin syvälle, vaan käytämme yksinkertaisempia klassisia malleja perusidean hahmottamiseen.

Pii tekee neljä elektronipareista koostuvaa sidosta viereisiin atomeihin.

Arseenin ylimääräisen ulkoelektroni jää vapaaksi varauksenkuljettajaksi.

Boorilta puuttuu yksi ulkoelektroni, jolloin muodostuu positiivinen ”aukko”.

Epäpuhtausatomien lisäämistä puolijohdemateriaaliin kutsutaan seostamiseksi eli douppaamiseksi.

Pn-liitoksesta tehty diodi saadaan aikaan liittämällä p-tyypin puolijohde ja n-tyypin puolijohde toisiinsa. Tällöin n-tyypissä olevat ylimääräiset elektronit haluavat mennä täyttämään p-tyypin aukkoja. Aineiden rajapintaan muodostuu kapea tyhjennysalue, jolla ei enää ole vapaita elektroneja. Koska n-puolelta on siirtynyt elektroneja ppuolelle, on tyhjennysalueella n-puolella positiivinen ja p-puolella negatiivinen kokonaisvaraus. Samalla tyhjennysalueelle syntyy sähkökenttä, jonka suunta on n-puolelta p-puolelle. Seuraavaksi pyrimme vaikuttamaan tyhjennysalueeseen kytkemällä pn-liitoksen ulkoiseen jännitelähteeseen.

Pn-liitokseen syntyy tyhjennysalue, jossa ei ole vapaita varauksenkuljettajia. Tyhjennysalueella on sähkökenttä n-puolelta p-puolelle.

Pn-liitos kytkettynä ulkoiseen jännitelähteeseen

Seuraavaksi kytketään diodi jännitelähteeseen. Sen voi tehdä kahdella tavalla, joko jännitelähteen miinus-napa p-puolelle tai miinus-napa n-puolelle (ja päinvastoin plus-navalle). Jotta virtapiirissä saadaan kulkemaan sähkövirta, täytyy negatiiviselta navalta tulevien elektronien pystyä ylittämään diodin tyhjennysalue. Tähän kyetäkseen yksittäisen elektronin energian täytyy olla riittävän suuri, joten jännitteen täytyy olla riittävä. Rajajännitettä, jolla virta lähtee kulkemaan, kutsutaan diodin kynnysjännitteeksi.

Kun miinus-napa on kytketty n-puolelle, on diodi kytketty päästösuuntaan. Tällöin jännitelähteen negatiivinen napa työntää vapaita varauksenkuljettajia kohti tyhjennysaluetta. Sama tapahtuu toisella puolella, ja pn-liitoksen tyhjennysalue kapenee ja kynnysjännite pienenee.

Päästösuuntaan kytketyn pn-liitokset tyhjennysalue on kapea ja kynnysjännite matala.

Sähkövirta kulkee p-puolelta n-puolelle, eli elektroneja virtaa tyhjennysalueen yli vastakkaiseen suuntaan. Tässä prosessissa elektronit löytävät aukkoja ja uusia elektroneja irtoaa sidoksista, jolloin aukkoja muodostuu lisää. Aina kun elektroni täyttää sidoksessa olevan aukon (tätä kutsutaan rekombinaatioksi), vapautuu energiaa. Esimerkiksi ledeissä osa rekombinaatiossa vapautuvasta energiasta poistuu näkyvän aallonpituusalueen sähkömagneettisena säteilynä.

Kun miinus-napa on kytketty p-puolelle, on diodi kytketty estosuuntaan. Tällöin jännitelähteen negatiivinen napa vetää p-puolen positiivisia varauksenkuljettajia puoleensa. Sama tapahtuu n-puolella, eli vapaat varauksenkuljettavat siirtyvät lähemmäs np-liitoksen päitä. Varauksenkuljettajista vapaa tyhjennysalue kasvaa. Riittävän suurella jännitteellä tämänkin kynnyksen voi ylittää ja aikaansaada estovirran, mutta silloin on riski diodin vaurioitumisesta.

Estosuuntaan kytketyn diodin tyhjennysalue on leveä ja kynnysjännite korkea.

Valokennossa idea on tavallaan päinvastainen kuin ledissä, jossa rekombinaatio synnyttää valoa. Ulkopuolelta tulevan valon energia on sellainen, että se kykenee irrottamaan aukossa olevan elektronin, eli se pystyy luomaan aukko-elektroni -parin. Näin luodut varauksenkuljettavat pääsevät kuljettamaan sähkövirtaa, joka ulkoiseen virtapiiriin kytkettynä voidaan käyttää hyödyksi kuten mikä tahansa muukin sähköenergia. Aukko-elektroni-parit syntyvät p-puolella. Lähellä tyhjennysaluetta syntyneet elektronit virtaavat tyhjennysalueen läpi n-puolta kohti. Sähkövirran suunta on siis n-puolelta p-puolelle, eli sähkövirta kulkee estosuuntaan.

Tehtävät

Klikkaa tehtävää nähdäksesi vastauksen.

MALLIRATKAISUT

1. Selvitä kondensaattorin

a) varaus, kun kapasitanssi on 6,0 µF ja jännite on 9,0 V

b) kapasitanssi, kun varaus on 78,0 µC ja jännite on 13,2 V

a) Q = 54,0 µC

b) C ≈ 5,9 µF

2. Levykondensaattori koostuu kahdesta ympyrälevystä, joiden säde on on 4, 5 cm. Levyjen välissä on eristettä, jonka suhteellinen permittiivisyys on 5,0. Levyjen välimatka on 9,0 mm.

a) Selvitä kondensaattorin kapasitanssi ja mitä ainetta eriste on.

b) Kuinka suuri jännite tarvitaan, jotta tehtävän kondensaattori pystyisi tuottamaan 100 J energiaa?

a) C ≈ 0,031 nF , paperi

b) U = 2,5 MV

3. Veera ja Pinja mittasivat kondensaattorin purkauksesta seuraavan varauksen ja taulukoivat saamansa arvot eri jännitteille. Mikä on kondensaattorin kapasitanssi?

C ≈ 3,3 µF

4. a) Mitä ovat puolijohteet, miksi niitä käytetään ja missä elektroniikkakomponenteissa niitä käytetään?

b) Miten n- ja p-tyypin puolijohteet eroavat toisistaan?

c) Mikä on kynnysjännite?

a) Puolijohteet ovat ominaisuuksiltaan johteen ja eristeen välissä. Niiden johtavuus ei ole yhtä hyvä kuin johteilla ja ne eivät myöskään eristä yhtä hyvin kuin eristeet.

Puolijohteita käytetään niiden muokattavuuden takia. Puolijohteiden sähkönjohtokykyä pystyy muokkamaan lisäämällä niihin epäpuhtauksia.

Puolijohteita käytetään diodeissa ja transistoreissa, joita käytetään esimerkiksi ledeissä ja aurinkokennoissa.

b) P- ja n- tyyppi eroavat toisistaan varauksenkuljettajan varauksen perusteella. P-tyypin puolijohteessa varaus kulkee ns. elektronin puutteen avulla, eli positiivisena, ja n-tyypin puolijohteessa varaus kulkee ylimääräisen elektronin avulla.

c) Kynnysjännite on jännite, joka tarvitaan jotta elektronit pääsevät liikkumaan pn-tyyppisen puolijohteen tyhjennysalueen läpi.

5. Haluat kytkeä kolme LED-lamppua yhteen virtapiiriin. Yhden lampun kynnysjännite on 2,95 V. Miten lamppujen vaatima jännite ja kirkkaus käyttäytyvät

a) sarjaan kytkennässä

b) rinnan kytkennässä?

a) Koska lamput ovat kytketty sarjaan, voidaan vaadittu lähdejännite laskea kuten paristojen sarjaan kytkennän jännite. Lamput voi tässä tapauksessa mieltää siis väärinpäin kytkettyinä paristoina, mutta jos jännite ei ylitä lamppujen yhteenlaskettua kynnysjännitettä, sähkö ei pääse virtaamaan. Paristojen tapauksessa virran suunta vaihtuisi.

Kynnysjännite U = 3Ur = 8,85 V

Sarjaan kytkettyjen lamppujen läpi kulkee yhtä suuri virta, eli lamput valaisevat yhtä kirkkaasti.

b) Tässäkin tapauksessa on hyvä mieltää potentiaalin käyttäytyvän samalla tavalla kuin paristoilla. Koska lamput ovat kytkettyinä rinnan, ovat ne kaikki samassa potentiaalissa, joten niiden vaatima kynnysjännite on yhden lampun kynnysjännite 2,95 V. Lamppujen kirkkaus riippuu niiden läpi kulkevasta sähkövirrasta. Kirchoffin 1. lain perusteella sähkövirta jakautuu rinnan kytkennässä, joten lamput palavat himmeämmin kuin a-kohdassa.

6. Punaisen ledilampun kynnysjännite on 1,7 V. Lamppu ei pala, jos sen jännite on alle kynnysjännitteen. Oletetaan, että jännite ledin yli ei muutu, kun sähkövirta on suurempi kuin 15 mA. Lediä käytetään tavallisesti 20,0 mA:n päästövirralla. Ledi suojataan liian suurelta sähkövirralta kytkemällä ledin kanssa sarjaan sopiva etuvastus. (YO S2019)

a) Ledilamppu on liitetty auton 12 V:n pistokkeeseen (tupakansytyttimeen). Pistokkeesta saatava jännite on 14,4 V auton ollessa käynnissä. Laske, kuinka suuri ledin kanssa sarjaan kytketyn etuvastuksen resistanssin tulee vähintään olla, että ledin sähkövirta on 20,0 mA.

b) Auton pistokkeesta saatavassa jännitteessä voi esiintyä hetkellisiä piikkejä. Kuinka korkean jännitepiikin ledilamppu enintään kestää rikkoutumatta, kun etuvastuksen resistanssi on 830 Ω ja ledi rikkoutuu yli 30,0 mA:n sähkövirralla?

c) Käynnissä olevan auton pistokkeen jännite on 14,4 V. Pistokkeeseen kytketään kahden punaisen ledin muodostama lamppu, jossa ledit on kytketty rinnan. Molemmilla ledeillä on yhteinen etuvastus oheisen kuvan mukaisesti. Ledin kynnysjännite on edelleen 1,7 V, ja ledin sähkövirta on 20,0 mA. Mikä on etuvastuksen resistanssin oltava tässä tapauksessa?

a) 640 Ω

b) 27 V

c) 320 Ω