kierunkowe

Question 1

1. Budowa obecnie stosowanego układu jednostek miar (układ SI). Klasyfikacja błędów pomiaru.

Answer 1

Układ Si – międzynarodowy układ jednostek miar, oparty na 7 jednostkach podstawowych i 2 uzupełniających, pozostałe jednostki są jednostkami pochodnymi.

7 jednostek podstawowych:
* Metr (m) – jednostka długości
* Kilogram (kg) – jednostka masy
* Sekunda (s) – jednostka czasu
* Amper (A) – jednostka natężenia prądu
* Kelwin (K) – jednostka temperatury
* Mol (mol) – jednostka ilości materii
* Kandela (cd) – jednostka światłości

2 jednostki uzupełniające:
* Radian (rad) – jednostka kąta płaskiego
* Steradian (sr) – jednostka kąta bryłowego

Klasyfikacja błędów pomiaru – błąd pomiaru definiuje się różnicę pomiędzy wynikiem pomiaru, a wartością prawdziwą.

Ze względu na charakter błędu wyróżniamy:

• Błąd systematyczny – błąd powtarzalny; charakterystyczną cechą jest możliwość całkowitego lub częściowego ich usunięcia z wyników pomiarów (Przyczyna – sposób wykonywania pomiarów, takie same warunki pomiarów, używanie tej samej aparatury, prowadzenie pomiarów przez tą samą osobę).
• Błąd przypadkowy – błąd o charakterze losowym; niemożliwym jest przewidzenie jego wartości; możemy go ograniczyć wykonując wielokrotne pomiary i stosowanie średnich jako wyniku ostatecznego (Przyczyna – niedoskonałość zmysłów obserwatora, rozrzut wskazań przyrządów pomiarowych, krótkotrwałe zmiany wielkości wpływowych).
• Błąd gruby – błąd znacznie przewyższający wartość oczekiwaną w danej serii pomiarowej (Przyczyna – niewłaściwe odczytanie wartości, pomyłka w zapisie, źle przeprowadzony pomiar, uszkodzenie aparatury).

Ze względu na warunki fizyczne przeprowadzanych pomiarów:

• Błąd podstawowy – błędy przyrządów pomiarowych.
• Błąd dodatkowy – błędy, których źródłem są zmiany właściwości przyrządów oraz obiektu pomiaru.
• Błąd metody – wynikają z odziaływania przyrządów pomiarowych na obiekt pomiaru.

Wyróżniamy również

• Błąd względny – różni się o wartość przybliżoną (obliczoną) od prawdziwej.
• Błąd bezwzględny – stosunek błędu bezwzględnego do wartości dokładnej.

Question 2

2. Defekty w sieci krystalograficznej, ich systematyka i wpływ na właściwości materiałów (przykłady).

Answer 2

Defekty struktur sieci krystalograficznej to każdego rodzaju odchylenia od idealnej struktury.

• Punktowe – odpowiadają za szybkość dyfuzji atomów w sieci, determinują całkowicie przewodnictwo elektryczne kryształów jonowych i silnie wpływają na ich właściwości optyczne.
• Liniowe – pojawiają się często w rzeczywistych kryształach, wpływają na szybkość wzrostu kryształów i powodują obniżenie wytrzymałości kryształów na ścinanie.
• Powierzchniowe – odpowiadają za umocnienie materiału, tj. wzrost oporu materiału stawiany działającej sile w trakcie odkształcenia plastycznego.

Przykłady każdych z defektów:
* Punktowe – (wakanse, luki, defekt Frankela, defekt Schottky’ego) wynikają z wyjścia atomu na powierzchnie kryształu lub atomy opuszczają węzły w skutek drgań cieplnych.

• Liniowe – inaczej dyslokacje (krawędziowe, śrubowe, mieszane) powstają w wyniku utworzenia się w sieci krystalicznej dodatkowej płaszczyzny atomowej w trakcie krzepnięcia oraz obróbki plastycznej. Wynikają z wprowadzenia ekstrapłaszczyzny, przesunięcia płaszczyzn atomowych lub mogą razem występować w strukturach rzeczywistych.
• Powierzchniowe – (granice ziaren oraz międzyfazowe) możemy podzielić na koherentne, półkoherentne oraz zerwanie koherentności, wynikając z kąta między dwoma sąsiednimi kierunkami krystalograficznymi.

Question 3

3. Definicja epitaksji, klasyfikacja metod epitaksji wytwarzania struktur optoelektronicznych.

Answer 3

Epitaksja – to technika wzrostu nowych warstw materiału na istniejącym podłożu krystalicznym, która powiela układ istniejącej sieci krystalicznej podłoża.

Przy wytwarzaniu struktur optoelektronicznych wyróżnia się 4 główne techniki epitaksjalne:

• LPE (Liquid Phase Epitaxy) – epitaksja z fazy ciekłej. W procesie bierze udział roztwór osadzanego materiału zanurzony w rozpuszczalniku. Uzyskuje się bardzo wysokiej jakości warstwy epitaksjalne: mała ilość defektów strukturalnych i zanieczyszczeń. Jest to metoda czuła termicznie.
• VPE (Vapor Phase Epitaxy) – epitaksja z fazy gazowej. Technika ta pozwala uzyskać dużą szybkość osadzania nowych warst. Osadzać można tylko te pierwiastki, których związki udało się przeprowadzić w stan gazowy – otrzymuje się proste związki półprzewodnikowe typu GaAs czy GaP. Jest to metoda chemiczna, czuła termicznie.
• MBE (Molecular Beam Epitaxy) – epitaksja z wykorzystaniem wiązek molekularnych. technika osadzania cienkich warstw o ściśle określonym składzie chemicznym i precyzyjnym rozkładzie profilu koncentracji domieszki. Możliwe jest to dzięki doprowadzaniu do podłoża składników warstw oddzielonymi wiązkami molekularnymi. Całość procesu odbywa się w komorze w ultra wysokiej próżni.
• MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) – epitaksja z fazy gazowej z wykorzystaniem związków metaloorganicznych. Reagenty znajdują się w fazie gazowej. Osadzanie zachodzi przy ciśnieniu atmosferycznym lub obniżonym do 70-100 Tr. Typowa dla tej chemicznej techniki szybkość wzrostu warstw wynosi 15-25 nm/min.

Question 4

4. Dopasowanie energetyczne w obwodzie elektrycznym. Moc czynna i bierna w obwodzie elektrycznym.

Answer 4

Dopasowanie energetyczne – jest to dobór impedancji obciążenia tak, aby przekazać maksymalną moc do obciążenia.

• Moc czynna – średnia moc chwilowa (jednostka Wat [W]), zależy od wartości skutecznej napięcia, prądu oraz od cosinusa przesunięcia fazowego między nimi (współczynnik mocy). Może zamienić się w inny rodzaj mocy np. mechaniczną, cieplną.
• Moc Bierna – iloczyn wartości skutecznej napięcia, prądu i sinusa przesunięcia fazowego między nimi (jednostka Var). Moc bierna nie może zamienić się w inny rodzaj mocy. Moc bierną w obwodach prądu zmiennego pobierają jedynie idealne cewki i kondensatory.

Question 5

5. Doświadczalne podstawy mechaniki kwantowej. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Answer 5

Doświadczalne podstawy mechaniki kwantowej:

• Dualizm korpuskuralno-falowy – cecha obiektów fizycznych, które w pewnych sytuacja wykazują cechy cząstek, a w innych cechy fal. Mechanika kwantowa przewiduje iż cząstka nie musi zachowywać się tylko i wyłącznie jak fala czy cząstka, lecz może jednocześnie spełniać cechy stanu pośredniego.
• Fale de Broglie’a – de broglie przypisał cząstką materialnym właściwości falowe. Jego teza brzmi: każdej cząstce o całkowitej energii E i pędzie p należy przyporządkować falę o częstotliwości v(ni) i wektorze falowym, które spełniają zależności E = hv i p = ℏk.
• Zasada Nieoznaczoności Heisenberga – Falowa natura materii prowadzi do fundamentalnego ograniczenia dokładności jednoczesnego określenia położenia i pędu cząstki. Zasada nieoznaczoności wynika z faktu, że cząstka jest przyporządkowana do paczki falowej, która ma określoną rozciągłość w przestrzeni. Im większa rozciągłość paczki, tym dokładniej określona jest długość fali (a więc i pęd cząstki), ale jednocześnie mniej dokładnie jest określone jej położenie. Zasada ta łączy niedokładności w określaniu położenia cząstki z niedokładnościami w określaniu składowych jej pędu.
• Efekt tunelowy – Zjawisko przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości większej niż energia cząstki.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne (fotoemisja, efekt fotoelektryczny) – Emisja elektronów zachodząca wskutek absorpcji promieniowania elektromagnetycznego (podczerwonego, widzialnego, nadfioletowego) przez ciało emitujące. Foton padający na ciało powinien mieć energię większa od pracy wyjścia elektronu z danej substancji (warunek Einsteina). Wzór E = h*f (h - stała Plancaka, f – częstotliwość promieniowania)

Question 6

6. Elementy bierne wykonane techniką LTCC – konstrukcja i właściwości rezystorów, cewek i kondensatorów.

Answer 6

LTCC (Low Temperature Co-Fired Ceramics) – to technologia niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej, która wykorzystuje elastyczną folie ceramiczną jako materiał podłożowy. Folia o grubości od 50 do 250 μm, składa się z mieszanki ceramiki, szkła i nośnika organicznego. Technologia pozwala na wytwarzanie złożonych układu mikroelektronicznych o wysokim stopniu upakowania i dużej niezawodności.

Zastosowanie elementów biernych w technice LTCC zapewnia dużą gęstość sieci połączeni elektrycznych i małe rozmiary układu. Mają one dobre właściwości w zakresie wysokich częstotliwości i dużych napięć. Są stabilne termicznie i bardzo rzadko występują uszkodzenia katastroficzne.

• Rezystory – wykonane w tej technice dzielą się na:
  
  • Powierzchniowe – wyłącznie rezystory planarne 2D wytwarzane przez bezpośrednie naniesienie pasty rezystywnej na podłoże ceramiczne,
  • Zagrzebane – wykonane w postaci rezystora przestrzennego 3D poprzez wypełnienie pastą rezystywną otworu wyciętego w foli ceramicznej.
• Cewki – realizowane są jako elementy powierzchniowe i przestrzenne. W nadrukowanych na folię warstwach przewodzących wycina się laserowo spirale, meandry lub pierścienie. Połączenie kilku warstw z tak wyciętymi uzwojeniami w kształcie spirali pozwala uzyskać cewkę przestrzenną.
• Kondensatory grubowarstwowe – realizowane są najczęściej w układzie trójwarstwowym, dwie metaliczne elektrody oddzielone są warstwą dielektryczną. Zastosowanie podwójnej warstwy dielektryka może ograniczyć ryzyko zwarć.

Question 7

7. Filtry aktywne.

Answer 7

Filtr – urządzenie, który przepuszcza sygnały elektryczne o pewnych częstotliwościach lub przedziałach częstotliwości i blokuje inne sygnały.

Możemy je podzielić na:

Filtry aktywne - układy wykorzystujące wzmacniacze operacyjne w charakterze elementów aktywnych w połączeniu z rezystorami i kondensatorami w celu uzyskania właściwości analogicznych do filtrów RLC. Filtry aktywne RC mogą pracować w szerokim zakresie częstotliwości.

Podział filtrów aktywnych na podstawie typu charakterystyki:
* Filtr Butterwortha – maksymalnie płaska charakterystyka amplitudowa w paśmie przepustowym.
* Filtr Czebyszewa – charakterystyka równomiernie falista, z możliwościa konfiguracji szybkiego spadku pasma przepustowego.
* Filtr Bessela – maksymalnie liniowa charakterystyka fazy, co jest istotne w przypadku sygnałów o zmiennej częstotliwości.
brak zniekształceń przenoszonych sygnałów impulsowych.

W zależności od położenia pasma przepustowego wyróżnia się następujące filtry:
* Dolnoprzepustowy – pasmo przepustowe od częstotliwości f = 0 do częstotliwości granicznej fg.
* Górnoprzepustowy – pasmo przepustowe od częstotliwości granicznej fg do nieskończoności.
* Środkowoprzepustowe (pasmowe) – pasmo przepustowe od częstotliwości granicznej fg1 do częstotliwości granicznej fg2.
* Środkowozaporowe (zaporowe) – pasmo tłumienia od częstotliwości granicznej fg1 do częstotliwości granicznej fg2.

Podział ze względu na strukturę realizacji:
* Filtr Sallen-Key – ze sterowanym źródłem napięciowym, konfiguracja oparta na dwóch operacyjnych kondensatorach.
* Filtry z wielokrotnym sprzężeniem zwrotnym (MFB) – wykorzystują sprzężenie zwrotne, co umożliwia precyzyjną kontrolę charakterystyk.

Dobroć filtra Q – jest parametrem projektowym związanym z rzędem n. Zamiast projektować filtr Czebyszewa rzędu n można to zadanie wyrazić jako projekt filtru Czebyszewa o określonej dobroci Q.

Question 8

8. Generatory drgań sinusoidalnych.

Answer 8

Generator drgań (oscylator) – układ elektroniczny, którego celem jest wytworzenie drgań elektrycznych.

Składa się ze wzmacniacza i obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego podającego sygnał z wyjścia wzmacniacza z powrotem na jego wejście.

O częstotliwości drgań decyduje obwód sprzężenia zwrotnego, o ich amplitudzie – parametry wzmacniacza.

Aby układ rozpoczął generowanie drgań muszą zostać spełnione dwa warunki: amplitudy i fazy.
Amplituda – sygnał na wejściu wzmacniacza podawany z układu sprzężenia zwrotnego musi być na tyle duży, aby na wyjściu wzmacniacza otrzymać sygnał o takim samym lub większym poziomie (tłumienie układu sprzężenia zwrotnego nie może być większe niż wzmocnienie wzmacniacza).
Faza – chwila maksimum sygnału na wejściu wzmacniacza, po przejściu przez wzmacniacz i układ sprzężenia zwrotnego, wypadała zawsze w tym samym momencie (przesunięcie fazy całego układu musi być równe wielokrotności 2π (360⸰)).

Możemy podzielić ze względu na sposób generacji:
* Generatory drgań sinusoidalnych
* Generatory przebiegów niesinusoidalnych (przerzutniki)
* Generatory cyfrowe DDS

W zależności od metody realizacji sprzężenia zwrotnego:
* RC – układ sprzężenia zwrotnego wykorzystujący m rezystory i kondensatory (generator z mostkiem Wiena).
* LC – układ sprzężenia zwrotnego wykorzystujący obwód rezonansowy (generator Meissnera)

Najważniejsze parametry:
Częstotliwość generowanego przebiegu – dla generatorów przestrajalnych określa się również zakres przestrajania.
Stabilność częstotliwościowa – krótko i długoterminowa
Amplituda przebiegu
Stabilność amplitudowa – krótko i długoterminowa
Fluktuacja amplitudy
Zawartość harmonicznych – zniekształcenia nieliniowe
Parametry energiczne – moc i sprawność

Question 9

9. Istota i cele logistyki w inżynierii produkcji.

Answer 9

Logistyka – proces planowania, realizowania i kontrolowania sprawnego i efektywnego ekonomicznie przepływu surowców, podzespołów, wyrobów gotowych oraz informacji.

Inżynieria Produkcji – dziedzina zajmująca się optymalizacja złożonych procesów produkcyjnych, dotyczy zagadnień i problemów związanych z przemysłowym wytwarzaniem produktów.

CEL LOGISTYKI
* Poprawa procesu produkcji i produktu
* Wzmocnienia pozycji rynkowej
* Ograniczenia kosztów
* Maksymalizacji zysków

Bazuje na zasadzie 7R (Right – właściwy)
* Właściwy produkt
* Właściwa ilość
* Właściwa jakość
* Właściwe miejsce
* Właściwy czas
* Właściwy klient
* Właściwa cena

Question 10

10. Jakie rodzaje fal mogą występować w prowadnicach falowych? Sklasyfikować prowadnice falowe na dwie grupy w zależności od rodzaju prowadzonej fali. Jakie kryterium w tym celu należy zastosować?

Answer 10

Prowadnica falowa – układ przewodników lub dielektryków zapewniający propagację fali elektromagnetycznej w określonym kierunku. Kryterium podziału prowadnic falowych jest rodzaj prowadzonych fal, a dokładniej położenie pola elektrycznego i magnetycznego w płaszczyźnie względem kierunku propagacji fali.

Rozróżniamy fale typu:
- TEM – pole elektryczne i magnetyczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali
- E (TM) – pole magnetyczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali
- H (TE)– pole elektryczne leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali
- EH – żadne z pól nie leży w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji fali

Podstawowy podział prowadnic falowych w zależności od rodzaju prowadzonej fali to:
- TEM lub quasi-TEM – poprzeczne składowe pola elektrycznego i magnetycznego
- TE, TM, EH (falowody)– brak poprzecznych składowych

Question 11

11. Liniowe i nieliniowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych.

Answer 11

Wzmacniacze operacyjne (opamp) – to urządzenia, znajdujące szerokie zastosowanie w różnych aplikacjach analogowych.

Liniowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych:
Wykorzystywane do przetwarzania sygnałów analogowych, gdzie zachowują proporcjonalność i linowość odpowiedzi wzmacniającej.

Przykładowe zastosowania:
* Wzmacniacz odwracający/nieodwracający/sumujący/różnicowy.
* Układ całkujący/różniczkujący.
* Filtry (np. górno- i dolnoprzepustowe)

Nieliniowe zastosowania wzmacniaczy operacyjnych:

Wykorzystywane do realizacji operacji, gdzie charakterystyka wzmacniana nie jest liniowa.

Przykładowe zastosowania:
* Komparator (porównywanie dwóch sygnałów)
* Ogranicznik napięcia (ustawianie maksymalnego lub minimalnego poziomu napięcia)
* Prostownik (zmiana sygnału zmiennego na jednokierunkowy)
* Generator przebiegu prostokątnego/sinusoidalnego
* Wzmacniacz logarytmiczny (generowanie sygnału wyjściowego proporcjonalnego do logarytmu sygnału wejściowego)

Question 12

12. Logika optyczna: podstawowe układy logiki optycznej, bramki optoelektroniczne.

Answer 12

Logika optyczna – realizacja działań i funkcji algebry Boole’a na wiązkach fotonów za pomocą urządzeń optycznych.

Wiązkę światła traktujemy zero-jedynkowo mierząc chwilowe natężenie pola.

Układy logiczne w pełni optyczne wykorzystują do przełączania światła jedynie fotony.

Logiczne bramki optyczne – wykorzystują nieliniowe zjawiska optyczne (układy pasywne) i/lub wzmacniacze optyczne (układy aktywne).

wykorzystuje efekt Kerra i dwukanałowy kierunkowy powielacz optyczny.

Efekt Kerra – Zmiana właściwości ośrodka (współczynnik załamania światła) w zależności od przyłożonego pola elektrycznego. Wstępuje jedynie w ośrodkach nieliniowych.

Optyczny powielacz kierunkowy – wykorzystują dwa równoległe światłowody o zbliżonych parametrach.

Przy zgodności fazowej ośrodków obu torów, sygnał zostaje w pełni przekazany do kanału drugiego.

Kiedy jednak wystąpi niezgodność faz, sygnał może być przekazany częściowo lub nie przekazany wcale.

W ten sposób oddziałując wiązką fotonów, możemy przełączać stany logiczne światła.

Bramki
AND
OR
NOT
NOR

Question 13

13. Mechanizmy przewodnictwa opisujące charakterystykę R = f(T) grubowarstwowych rezystorów cermetowych.

Answer 13

Rezystory cechują się najniższą rezystancją w temperaturze pokojowej. Dla wyższych temperatur rezystancja rośnie wraz z jej wzrostem, a dla niższych rośnie wraz z jej spadkiem.

Mechanizmy przewodnictwa:
kontaktu metalicznego – występuje między dwoma ziarnami mającymi kontakt fizyczny. Kontakt mechaniczny jest źródłem szumów. Rezystancja jest niestabilna w czasie.

hoppingowe (skokowe) – nośniki nie poruszają się swobodnie po całym ciele w paśmie walencyjnym, ale przeskakują pomiędzy konkretnymi miejscami w strukturze materiału, tak zwanymi stanami zlokalizowanymi. Zachodzi dla większych odległości.

Question 14

14. Metoda cyfrowa pomiaru częstotliwości i okresu sygnałów elektrycznych. Jakie są najistotniejsze czynniki wpływające na błąd pomiaru.

Answer 14

Pomiar okresu (metodą cyfrową) – badany przebieg jest przetwarzany na sygnał impulsowy.

Czas każdego impulsu jest równy okresowi Tx przebiegu badanego.

Impuls ten otwiera bramkę na czas pomiaru.

Gdy bramka jest otwarta, zliczane są impulsy z generatora wzorcowego o częstotliwości fw = 1/Tw.

W czasie pomiaru licznik zliczy N = Tx/Tw.

Wartość zmierzonego okresu wynosi: Tx=N*1/fw

Pomiar częstotliwości (metodą cyfrową) – badany przebieg o częstotliwości fx przetwarzany jest na przebieg impulsowy o takiej samej częstotliwości.

Generator wzorcowego odcinka czasu wytwarza impuls o czasie trwania Tn otwierającego bramkę na czas pomiaru.

W czasie, gdy bramka jest otwarta, licznik zliczy N = Tn/Tx impulsów.

Ponieważ fx = 1/Tx zmierzona częstotliwość wynosi:
fx = N*1/Tn

Główne źródła błędów w cyfrowych pomiarach częstotliwości:
* Błąd zliczania (kwantowania) – występuje gdy długość impulsów bramkujących nie jest całkowitą wielokrotnością zliczanych okresów. Liczba zliczonych impulsów uzależniona jest od położenia impulsu bramkującego.
* Błąd częstotliwości generatora wzorcowego – częstotliwość ta może odbiegać od częstotliwości znamionowej, może również zmieniać się w czasie pracy np. w wyniku wahań temperatury lub starzenia elementów.
* Błąd bramkowania – wynika z różnicy opóźnienia miedzy zboczem narastającym i opadającym impulsu bramkującego.

Różnica ta powoduje różnicę w opóźnieniu chwili otwarcia i zamknięcia bramki. Błąd jest również spowodowany zakłóceniami występującymi w badanym przebiegu.

Question 15

15. Metody obliczania błędu granicznego w pomiarach złożonych.

Answer 15

Błąd graniczny w pomiarach złożonych -
Największa możliwa wartość błędu wskazania przyrządu w dowolnym punkcie zakresu pomiarowego.

Metody obliczania błędu granicznego obejmuje:
sumowanie maksymalnych wartości bezwzględnych błędów poszczególnych, składowych pomiarowych lub sumowanie kwadratów błędów, a także wykorzystanie reguł propagacji błędów w przypadku wyników obliczanych na podstawie pomiarów.

Question 16

16. Metody pomiaru piezoelektryków.

Answer 16

Zjawisko piezoelektryczne proste – polega na powstawaniu ładunków elektrycznych w wyniku deformacji kryształu.

Zjawisko piezoelektryczne odwrotne – polega na zmianie wymiarów kryształów pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego.

Metody pomiaru piezoelektryków możemy podzielić na:
* Statyczne
o pomiar modułu piezoelektrycznego d – mierzy się generowany ładunek elektryczny w odpowiedzi na przyłożony nacisk lub zmianę pola elektrycznego
* Dynamiczne
o pomiar przenikalności elektrycznej – analizuje zmiany przenikalności dielektrycznej w zależności od częstotliwości pobudzenia, co umożliwia określenie przenikalności εT (przy polu stałym) i εS (przy zmiennym polu).
o pomiar współczynnika sprzężenia elektromechanicznego – określa efektywność przekształcania energii podczas wymuszonych drgań mechanicznych lub elektrycznych
* Wyznaczenie pozostałych współczynników z wykorzystaniem obu metod pomiarowych
o pomiar stałej napięciowej
o pomiar współczynnika sprężystości

Question 17

17. Metody pomiaru parametrów rozproszonych elementów biernych (RLC).

Answer 17

RLC – elementy powszechnie stosowane w budowie urządzeń elektrycznych i elektronicznych, czyli rezystory, kondensatory i cewki indukcyjne. Parametry tych elementów mierzy się różnymi metodami i z różną dokładnością.

• Metoda mostkowa:

-Mostek Wheatstone’a – Do pomiaru rezystancji. Składa się z czterech rezystorów tworzących mostek, z których jeden jest elementem badanym.

-Mostek Maxwella – wykorzystywany do pomiaru indukcyjności, w którym stosuje się znaną pojemność i rezystancje do równoważenia mostka.

-Mostek Wiena – Do pomiaru pojemności. Opiera się na równoważeniu pojemności i rezystancji.

* Metoda rezonansowa – Pomiar częstotliwości rezonansowej obwodu LC. Znając częstotliwość rezonansową i wartość jednego z elementów (L lub C), można obliczyć drugi parametr.

• Metoda impedancyjna – pomiar impedancji przy różnych częstotliwościach pozwala na wyznaczenie wartości R, L i C elementu biernego. Analiza częstotliwości pozwala na określenie charakterystyki impedancyjnej badanego elementu.
• Metoda oscyloskopowa – połączenie elementu do oscyloskopu i analizie przebiegu napięcia oraz prądu. Na podstawie różnic fazowych i amplitud można wyznaczyć parametry RLC.

Question 18

18. Zastosowania piezoelektryków.

Answer 18

Piezoelektryki znajdują zastosowanie jako rezonatory w generatorach i stabilizatorach częstotliwości, przetworniki drgań w urządzeniach medycznych i przemysłowych, mikrosiłowniki w mikrorobotyce oraz w różnorodnych urządzeniach wykorzystujących efekty drgań i fal. Ich unikalne właściwości mechaniczno-elektryczne sprawiają, że są nieocenione w wielu nowoczesnych technologiach

Question 19

19. Metody pomiaru wartości skutecznej napięcia sygnałów zmiennych.

Answer 19

Wartość skuteczna (RMS – Root Mean Square) określa parametry energetyczne sygnału. Wartość skuteczna sygnału przemiennego jest równa wartości sygnału stałego, który powoduje takie same skutki energetyczne (efekt cieplny – ciepło Joule’a) jak sygnał przemienny.

Wzór ten pozwala wyznaczyć Usk dla dowolnego sygnału okresowego. Rozwiązanie to stosowane jest w miernikach wyższej klasy oznaczonych jako True RMS.

Metody pomiaru wartości skutecznej:

• Pomiar za pomocą przyrządów cieplnych –
  Jeden z rezystorów jest zasilany mierzonym przebiegiem, drugi regulowanym napięciem stałym.
  Polega na regulacji wartości napięcia stałego tak, aby temperatury w obu rezystorów były jednakowe.
  Na wyjściu takiego przetwornika występuje napięcie odpowiadające wartości skutecznej wejściowego przebiegu zmiennego.
• Pomiar za pomocą przetworników analogowych –
  analogowe układy realizują operacje potęgowania, całkowania (uśredniania) oraz pierwiastkowania zgodnie ze wzorem na wartość skuteczną sygnałów okresowych.
• Pomiar za pomocą mierników cyfrowych (multimetry i oscyloskopy) –
  sygnał wejściowy zamieniany jest na postać cyfrową, a następnie obliczana jest wartość skuteczna mierzonego napięcia.
  Współczesne multimetry są wyposażone w operacyjne przetworniki wartości skutecznej i wynik pomiaru reprezentuje prawdziwą wartość skuteczną badanego sygnału. Oznaczone są jako True RMS.
• Współczynnik kształtu – Definiowany jest jako stosunek wartości skutecznej do wartości średniej (półokresowej) danego przebiegu.
  Mierniki mierzą napięcie średnie badanego przebiegu, a następnie za pomocą odpowiedniego współczynnika kształtu, zamieniają wynik pomiaru na wartość skuteczną.

Question 20

20. Metody stało- i zmiennoprądowego pomiaru właściwości materiałów i elementów elektronicznych.

Answer 20

Stałoprądowe metody są przydatne do pomiarów bezpośrednich właściwości rezystancyjnych i charakterystyki prądowo-napięciowej.
zmiennoprądowe metody pozwalają na analizę dynamicznych właściwości materiałów, takich jak:
impedancja,
pojemność,
indukcyjność, w szerokim zakresie częstotliwości.

Metody stałoprądowe:
- Pomiar rezystancji(metoda czteropunktowa) – prąd przepuszczany jest przez dwa zewnętrzne styki, a napięcie mierzone na dwóch wewnętrznych stykach. Stosowana przy niskich rezystancjach.
* Pomiar charakterystyki I-U – pomiar prądu płynącego przez element w funkcji przyłożonego napięcia.
* Pomiar efektu Halla – metoda ta wykorzystuje efekt Halla, gdzie w materiale przepływającym prądem w obecności pola magnetycznego powstaje poprzeczne napięcie (napięcie Halla). Pomiar tego napięcia pozwala na określenie koncentracji nośników ładunku oraz ich ruchliwości.
* Pomiar temperatury – wykorzystuje zmiany rezystancji materiału w funkcji temperatury.

Metody zmiennoprądowe:
- Pomiar impedancji(LCR meter) – LCR meter to urządzenie pomiarowe, które mierzy impedancję elementów w szerokim zakresie częstotliwości. Na podstawie pomiarów można określić wartości rezystancji (R), indukcyjności (L) i pojemności (C).
* Spektroskopia impedancyjna – badanie odpowiedzi elektrycznej obiektu na małe sygnały elektromagnetyczne w szerokim zakresie częstotliwości.
* Pomiar współczynnika strat dielektrycznych – mierzenie strat energii w dielektryku pod wpływem zmiennego pola elektrycznego. Straty dielektryczne są związane z absorpcją energii przez materiał i konwersją tej energii na ciepło.
* Pomiar współczynnika sprzężenia magnetycznego – ocenia sprzężenie magnetyczne w transformatorach i cewkach.
* Pomiar indukcyjności i pojemności metoda rezonansową – określa indukcyjność lub pojemność na podstawie częstotliwości rezonansowej obwodu LC.
* Analiza Fouriera sygnałów zmiennoprądowych – rozkład sygnału zmiennoprądowego na składowe częstotliwości za pomocą transformacji Fouriera.

Question 21

21. Metody uczenia sieci neuronowych.

Answer 21

Sieć neuronowa jest złożonym systemem połączonych neuronów, który może przetwarzać dane i uczyć się na ich podstawie, imitując pewne funkcje ludzkiego mózgu.

Wyróżniamy trzy metody uczenia sieci neuronowych:
* Uczenie z nauczycielem
o Obiekty wzorcowe na wejściu
o Porównanie wyjścia z wzorcowymi odpowiedziami i ewentualna korekcja wag
o Sieć uczy się wzorców „na pamięć” oraz nabywa zdolność uogólniania wiedzy
o Wagi zmieniają się w celu dopasowania działania do wielu wzorców
* Uczenie bez nauczyciela (samouczenie)
o Obiekty wzorcowe na wejściu
o Brak wzorców na wyjściu
o Sieć zmienia wagi na podstawie obserwacji otoczenia i interpretacji odebranych sygnałów. Sieć sama odkrywa znaczenie sygnałów i sama ustala zachodzące między nimi zależności.
o Uczenie jest wolniejsze, niż z nauczycielem oraz aby nauczyć się takich samych wzorców jak z nauczycielem, sieć musi być większa.
* Pośrednia
o Uczenie z trenerem
o Podobna do nauki z nauczycielem
o Nie porównuje się otrzymanych wyjść do wzorców, w zamian sieć otrzymuje podpowiedzi z zewnątrz, jakie skutki daje zmiana wag, pozytywne czy negatywne.

Sieć jest nauczona w momencie osiągnięcie minimalnego błędu określonego przed uczeniem, w momencie kiedy istnieje ryzyko przeuczenia sieci (błąd zaczyna rosnąć) oraz gdy istnieje ryzyko z osiągnięciem wartości docelowej błędu.

Question 22

22. Mikrosystemy ruchome: metody wywoływania ruchu w mikroskali, podstawowe mikrokonstrukcje i ich obszary zastosowania.

Answer 22

Mikrosystemy MEMS są urządzeniami mechaniczno-elektrycznymi, które składają się z zintegrowanych podzespołów mikromechanicznych i mikroelektronicznych. Podzespoły mikromechaniczne są trójwymiarowe i wykonane z materiałów takich jak krzem, szkło, ceramika czy polimery.

Metody wywoływania ruchu w mikroskali:
* Zjawisko odwrotnie piezoelektryczne: Wykorzystuje się zmiany wymiarowe materiałów piezoelektrycznych pod wpływem pola elektrycznego.
* Przyciąganie elektrostatyczne: Elektrody generują siłę przyciągania lub odpychania w odpowiedzi na zmiany napiecia między nimi.
* Indukcja elektromagnetyczna: Wykorzystuje siłę elektromagnetyczną do generowania ruchu poprzez przyciąganie elementów metalowych.
* Rozszerzalność cieplna: Wykorzystuje zmiany wymiarowe materiałów pod wpływem zmiany temperatury, aby wywołać ruch.
* Zjawisko elektrotermiczne: Generuje ruch przez podgrzewanie materiałów o wysokiej rezystywności.
* Odkształcenie przez ciśnienie membrany krzemowej: Wykorzystuje odkształcenie membrany krzemowej pod wpływem ciśnienia, aby wywołać ruch.
* Ruch wywołany przepływem gazu: Wykorzystuje siłę generowaną przez przepływ gazu w mikrokanalach lub mikroszczelinach.

Przykłady zastosowań mikrosystemów ruchomych:
* Mikrosiłowniki
* Narzędzia chirurgiczne
* Przekładnie obrotowe, liniowe, parowe
* Mikroczujniki
* Mikrosilniki obrotowe, liniowe, parowe
* Mierniki przepływu z turbinami
* Silniki rakietowe i odrzutowe
* Mikrozawory
* Aplikacje w telekomunikacji

Question 23

23. Modyfikacja właściwości warstw powierzchniowych - systematyka tych warstw, metody ich otrzymywania.

Answer 23

Systematyka warstw powierzchniowych:
Warstwy wierzchnie: Ograniczone powierzchnią obrabianego elementu, charakteryzujące się innymi właściwościami niż materiał rdzenia, uzyskane dzięki działaniu sił mechanicznych, cieplnych, elektrycznych oraz czynników chemicznych.

Powłoki: Trwałe warstwy nanoszone na powierzchnię podłoża, wykonane z metalu, stopu, materiału ceramicznego, polimerowego lub innych, w celu nadania określonych właściwości.
Podział ze względu na grubość:
* Warstwy grube: Powyżej 1 μm.
* Warstwy cienkie: Poniżej 1 μm.
Zastosowania warstw:
* Antykorozyjne, dekoracyjne, zwiększające twardość, przewodność elektryczną lub cieplną.
Metody pozyskiwania warstw:
* Anodyzacja: Elektrolityczne osadzanie warstw tlenków, często stosowane do aluminium.
* Galwanizacja: Elektrolityczne osadzanie cienkich warstw metalicznych na powierzchni metalowej, np. miedzi na metalu.
* CVD (Chemiczne osadzanie z fazy gazowej): Tworzenie nowej warstwy materiału na ogrzewanym podłożu przez reakcje chemiczne z fazy gazowej. Na tworzenie warstw i ich właściwości wpływają takie parametry jak ciśnienie, skład gazu wprowadzanego do układu, czystość reagentów, przygotowanie powierzchni materiału.
* Epitaksja: Wzrost nowej warstwy monokryształu na istniejącym podłożu krystalicznym, powiela strukturę sieci krystalicznej podłoża.
* Implantacja jonów: Domieszkowanie materiałów poprzez nadanie energii jonom w polu elektrycznym i ich zderzenie z materiałem, co zmienia jego strukturę krystaliczną. Jony uderzając w półprzewodnik niszczą jego strukturę krystaliczną.
* PVD (Fizyczne osadzanie z fazy gazowej): Osadzanie warstwy z fazy gazowej przy niższym ciśnieniu, wykorzystujące procesy fizyczne do uzyskania par osadzonych.

Podział ze względu na metody otrzymywania:
* Cieplne – oddziaływanie ciepła na powierzchnie w celu wprowadzenia zmian w strukturze (hartowanie, napawanie).
* Mechaniczne – działanie energią kinetyczną narzędzia lub cząstek w celu umocnienia warstwy wierzchniej na zimnym podłożu (nagniatanie).
* Cieplno-mechaniczne – oddziaływanie ciepła i nacisku (natryskiwanie, platerowanie).
* Cieplno-chemiczne – oddziaływanie ciepła i aktywnego chemicznie ośrodka w celu pokrycia obrobionego materiału dla spowolnienia zmian struktury w podwyższonej temperaturze (CVD, nasycanie, stopowanie).
* Fizyczne – osadzanie powłok adhezyjnych w warunkach podwyższonego ciśnienia lub obniżonego ciśnienia (PVD, implementacja jonów).
* Chemiczne i elektromechaniczne – bezpośrednie nakładanie materiału niemetalicznego lub metalowego na powierzchnie obrabianego elementu i usuwanie zanieczyszczonej lub utlenionej warstwy powierzchniowej w procesie trawienia lub polerowania (osadzanie elektrolityczne, trawienie).

Question 24

24. Na czym polega modulacja światła mikrofalami? Podać przykłady realizacji modulatora elektrooptycznego

Answer 24

Modulacja światła mikrofalami:
Polega na zmianach parametrów fali świetlnej w czasie.

Mikrofale wykorzystane do modulacji światła poprzez generowanie rezonansu,(zmiana współczynnika załamania materiału optycznego), przez który przechodzi wiązka światła.

Zmiany te mogą obejmować modulację amplitudy i/lub częstotliwości sygnału świetlnego.

• Przykład realizacji modulatora elektrooptycznego:
  Przykładem modulatora elektrooptycznego jest modulator Mach-Zender’a.

Działa on na zasadzie efektu Pockelsa, który opisuje zależność współczynnika załamania światła w materiale od natężenia pola elektrycznego.

W modulatorze Mach-Zender’a, przyłożenie napięcia do materiału elektrooptycznego zmienia współczynnik załamania światła. Ta zmiana powoduje regulację drogi optycznej w materiale, co z kolei umożliwia modulację fali świetlnej.

Question 25

25. Najważniejsze zastosowania elementów, układów i urządzeń pracujących w zakresie częstotliwości mikrofalowych (300 MHz-300 GHz).

Answer 25

Zakres częstotliwości mikrofalowych (300 MHz - 300 GHz) znajduje szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach. Oto najważniejsze zastosowania:
* Radary mikrofalowe - używane do detekcji obiektów i monitorowania w szerokim zakresie częstotliwości od 300 MHz do setek GHz.
* Radioastronomia - badanie kosmosu za pomocą radioteleskopów, w tym badanie mikrofalowego promieniowania tła.
* Kuchenki mikrofalowe - wykorzystują mikrofale o częstotliwości około 2,4 GHz do podgrzewania żywności poprzez wzbudzenie drgań cząsteczek wody.
* Łączność satelitarna - mikrofale pozwalają na transmisję danych do satelitów, ponieważ nie są absorbowane przez atmosferę.
* Maser - urządzenie wzmacniające mikrofale poprzez emisję wymuszoną, używane głównie w badaniach naukowych i technologiach precyzyjnych.
* Telefony komórkowe - wykorzystują częstotliwości mikrofalowe, np. standard GSM 870-960 MHz oraz 1710-1880 MHz.
System globalnego pozycjonowania (GPS)- używa częstotliwości 1575 MHz, 1267 MHz, 1173 MHz do precyzyjnego określania lokalizacji.
* Bezprzewodowe sieci komputerowe (WLAN) - działają na częstotliwości 2,4 GHz lub 5 GHz, znane jako WiFi lub WiMax.
* Bluetooth - technologia bezprzewodowa umożliwiająca łączność między urządzeniami na częstotliwości 2,4 GHz.
* Fizyka - akceleratory cząstek, badania materiałowe i reaktory, gdzie mikrofale są używane do zaawansowanych badań naukowych.
* 5G - nowa generacja sieci komórkowych planowana jest na częstotliwościach kilkunastu GHz, obecnie używane są częstotliwości w zakresie kilkuset MHz.

Question 26

26. Nośniki ładunku elektrycznego i mechanizmy przepływu prądu w półprzewodnikach.

Answer 26

Nośnikami ładunków w półprzewodnikach są elektrony i dziury (puste miejsca po elektronach).

Wyróżniamy różne rodzaje półprzewodników:
* Półprzewodniki samoistne (swobodne nośniki ładunku [elektrony i dziury]) – prąd płynący w półprzewodniku samoistnym jest sumą prądu elektronowego i dziurowego.
* Półprzewodniki typu n (przewodnictwo elektronowe) – powstają w wyniku domieszkowania atomów pierwiastków z IV grupy układu okresowego z V grupy. Niewykorzystany elektron staje się swobodnym nośnikiem ładunku.
* Półprzewodniki typu p (przewodnictwo dziurowe) – powstają w wyniku domieszkowania pierwiastków z IV grupy układu okresowego z pierwiastkami z III grupy. Miejsce które pozostaje puste w wyniku domieszkowanie jest dziurą, która staje się nośnikiem ładunku dodatniego.

Nośniki ładunku w półprzewodniku:
* Elektron – nośnik ładunku ujemnego, posiadający większa ruchliwość niż dziury.
* Dziura – nośnik ładunku dodatniego, praktycznie są to kwasi-cząstki, gdyż fizycznie oznaczają brak elektronu.

Mechanizmy przepływu prądu –
teorią opisującą przewodnictwo elektryczne w półprzewodniku jest teoria pasmowa. Podstawowym pojęciem jest pasmo energetyczne, czyli przedział energii jaki mogą posiadać elektrony.

Istnieją dwa podstawowe poziomy:
Poziom walencyjny – zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne.
Poziom przewodnictwa – zakres energii jaką posiadają elektrony uwolnione z poziomu walencyjnego.

Między tymi pasmami istnieje przerwa zabroniona. Praktycznie elektrony nie posiadają energii z tego zakresu. Elektron w paśmie przewodnictwa oraz odpowiadającą mu dziurę w paśmie walencyjnym nazywamy parą elektron-dziura.

Czynnikami mogącymi spowodować generację pary elektron-dziura jest temperatura i promieniowanie elektromagnetyczne (fotony).

Question 27

27. Obwód szeregowy RLC, rezonans napięć. Obwód równoległy RLC, rezonans prądów.

Answer 27

Obwód szeregowy RLC – rezonans napięć.
Rezonans napięć występuje dla określonej częstotliwości rezonansowej.

W przypadku gdy reaktancja cewki oraz kondensatora są równe XL = Xc to napięcie na cewce i kondensatorze są równe co do modułu, ale przeciwne co do znaku, wobec czego ich suma jest równa zero.

Cały układ ma charakter rezystancyjny, wartość skuteczna prądu płynącego w obwodzie zależy jedynie od rezystancji i osiąga maksimum w I=U/R.

Obwód równoległy RLC – rezonans prądów.
Rezonans prądów występuje dla określonej częstotliwości rezonansowej.

W przypadku gdy susceptancja kondensatora oraz cewki jest sobie równa Bc = BL. Wtedy prąd cewki i prąd kondensatora mają równe amplitudy, lecz przeciwne fazy, wobec czego ich suma jest równa zero.

Admitancja (przewodność) układu wynosi Y, czyli obwód ma charakter rezystancyjny, a więc prąd I jest w fazie z napięciem U, wobec czego napięcie U osiąga najwyższą wartość w porównaniu z napięciami poza rezonansowymi.

Question 28

28. Parametry i charakterystyki niezawodności, zależności między nimi.

Answer 28

Niezawodność – własność obiektu mówiąca o tym, czy pracuje poprawnie przez wymagany czas i w określonych warunkach eksploatacji.

Jest określona przez prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia opisanego funkcją:

R(t) = P(T≥t), t≥0,

Gdzie : R(t) – niezawodność, T – czas pracy bez uszkodzenia, t – wymagany lub założony czas pracy bez uszkodzenia.

Charakterystyki:

Funkcja niezawodności R(t) – prawdopodobieństwo tego, że obiekt nie ulegnie uszkodzeniu w przedziale czasu (0,t).

R(t) = n(t)/n gdzie: n(t) – liczba elementów poprawnie działających po czasie t, n – liczba wszystkich elementów.

Krzywa „wannowa” („siodłowa”):
Zależność λ = f(t) określa trzy okresy życia obiektów nienaprawialnych:
* I – okres uszkodzeń wczesnych, uszkodzeniu ulegają wyroby o złej jakości, wadliwe;
* II – okres normalnej eksploatacji, liczba uszkodzeń jest stała, uszkodzenia są przypadkowe wynikające z przeciążeń, niepoprawnych warunków pracy;
* III – okres zużycia, gdzie ujawniają się niezdatności wskutek kumulowania się nieodwracalnych zmian fizycznych i chemicznych, deformacji konstrukcji, stopniowej zmiany wartości parametrów obiektu, aż poza dopuszczalne granice.

Parametry niezawodności:
* Funkcja intensywności uszkodzeń – opisuje szybkość z jaką obiekt się psuje, ma trzy okresy (dojrzewania do użytkowania, okres normalnego użytkowania i starzenie się obiektu). Jest kluczowym wskaźnikiem dynamiki uszkodzeń w czasie.
* Skumulowana intensywność uszkodzeń – mierzy całkowitą intensywność uszkodzeń od początku użytkowania do momentu czasu t. Jest miarą wyczerpywania się zdolności do wykonywania przez obiekt swoich funkcji.
* Gęstość prawdopodobieństwa – określa prawdopodobieństwo, że obiekt ulegnie uszkodzeniu dokładnie w momencie t. Jest to podstawowa miara niezawodności w analizie czasu do uszkodzenia.
Średni czas pracy do uszkodzenia (MTTF) – średni czas, jaki obiekt może pracować bez uszkodzenia. Ważny parametr w prognozowaniu średniego czasu między awariami.
Średni czas pracy między uszkodzeniami(MTBF) – średni czas, jaki upływa miedzy jednym uszkodzeniem, a kolejnym. Jest stosowany w przypadku, gdy czas naprawy jest krótszy od czasu życia obiektu.
Wariancja – mierzy rozrzut rozkładu czasu do uszkodzenia. Wysoka wariancja oznacza większy rozrzut w czasie uszkodzeń, co może wskazywać na mniej stabilną niezawodność.
Kwantyle rzędu p– określają czas do uszkodzenia, przy którym prawdopodobieństwo uszkodzenia jest równe p.
Pomagają w analizie niepewności i ryzyka związanego z czasem działania obiektu.

Question 29

29. Piezorezystywna detekcja sił i wychyleń w układach MEMS.

Answer 29

Piezorezystywna detekcja sił i wychyleń opiera się na wykorzystaniu efektu piezorezystywnego, który powoduje zmianę rezystancji materiału pod wpływem naprężeń.

• Efekt piezorezystywny: To zjawisko fizyczne, gdzie rezystancja materiału zmienia się w odpowiedzi na działające na niego siły mechaniczne (naprężenia). W odróżnieniu od efektu piezoelektrycznego, nie powstaje tu siła elektromotoryczna.
• Zasada działania: W układach MEMS, elementy takie jak membrany czy belki są wyposażone w piezorezystory umieszczone w strategicznych miejscach. Gdy na element działają siły mechaniczne (np. siła zewnętrzna, ciśnienie), element ulega odkształceniu. To odkształcenie powoduje zmianę rezystancji piezorezystorów. Najczęściej wykorzystuje się układ mostka Wheatstone’a, gdzie zmiana rezystancji skutkuje zmianą napięcia wyjściowego.
• Zastosowania: Czujniki piezorezystywne są stosowane do pomiaru sił, wychyleń, ciśnień itp. w układach MEMS. Przykłady zastosowań to mikrosensory, akcelerometry, czujniki ciśnienia, gdzie dokładność pomiarów jest kluczowa.

Mostek Wheatstone’a – jest utworzony z czterech piezorezystorów znajdujących się przy czterech krawędziach membrany czujnika. Pod wpływem ciśnienia doprowadzonego prostopadle, membrana ulega odkształceniu – z nią również piezorezystory. Dwa rezystory umieszczone równolegle do kierunku naprężenia są rozciągane i ich rezystancja rośnie, a dwa umieszczone prostopadle do kierunku naprężenia są ściskane i ich rezystancja maleje wraz ze wzrostem ciśnienia. Napięcie wyjściowe mostka rośnie, gdy rezystancja rezystorów umieszczonych równolegle rośnie, a rezystancja rezystorów umieszczonych szeregowo maleje.

Drugim przykładem piezorezystancyjnego sposobu detekcji naprężenia bądź siły jest zastosowanie cienkiej belki krzemowej z piezorezystorami umieszczonymi w pobliżu jej zamocowania. Działanie siły na wolny koniec belki powoduje jej ugięcie i zmianę rezystancji piezorezystorów.

Question 30

30. Podstawowe układy wzmacniaczy tranzystorowych.

Answer 30

Wzmacniacz tranzystorowy – zdolny do wzmacniania sygnału, bez zmiany jego kształtu, dzięki zastosowanym w układzie wzmacniania elementom czynnym: tranzystorom bipolarnym, unipolarnym lub układom scalonym.

Wyróżniamy trzy podstawowe układ wzmacniaczy tranzystorowych:

• Układ ze wspólnym kolektorem – wzmacniacz w tej konfiguracji jest nazywany wtórnikiem emiterowym, gdyż wielkość napięcia wyjściowego jest prawie taka sama jak wielkość napięcia wejściowego.

Wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności, a faza napięcia wyjściowa zgodna z faza napięcia wejściowego. Główne cechy to: duża rezystancja wejściowa i mała rezystancja wyjściowa.

Służy głównie do dopasowywania poziomów impedancji pomiędzy stopniami wzmacniaczy.

• Układ ze wspólną bazą – układ może dostarczyć wzmocnienia napięciowego o wartościach porównywalnych ze wzmacniaczem w konfiguracji WE, jednak przy bardzo malej rezystancji wejściowej wzmacniacza.
  Wzmocnienie prądowe jest <1.
  Układ w konfiguracji wspólnej bazy ma dobre właściwości częstotliwościowe (duża częstotliwość graniczna), co pozwala uzyskać wzmocnienie napięciowe w takich zakresach, gdy praca w innych konfiguracjach jest niemożliwa (najszersze pasmo przenoszenia).
• Układ ze wspólnym emiterem – jest to najczęściej wykorzystywany układ wzmacniaczy, szczególnie w zakresie niezbyt wysokich częstotliwości np. w wzmacniaczach akustycznych. Zapewnia stosunkowo wysokie wzmocnienie napięciowe oraz wzmocnienie prądowe jest znacznie większe od jedności.

Question 31

31. Pomiar pętli histerezy, wyznaczanie parametrów magnetyków.

Answer 31

Histereza – zjawisko zależności aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach; inaczej – opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Na podstawie kształtu pętli histerezy można dokonać podziału materiałów magnetycznych na twarde i miękkie.

Magnetyki miękkie:
* Małe natężenie pola koercji (łatwo namagnesować i rozmagnesować)
* Duża indukcja nasycenia
* Duża maksymalna bezwzględna przenikalność magnetyczna
* Mała wartość stratności magnetycznej
* Stabilność podczas eksploatacji

Magnetyki twarde:
* Duże natężenie pola koercji (trudno namagnesować i rozmagnesować)
* Duża indukcja remanencji
* Duża wartość iloczynu BHmax

Pomiar pętli histerezy:
Układ pomiarowy składa się z rdzenia toroidalnego wykonanego z badanego materiału magnetycznego (dwa uzwojenie).
- Uzwojenie pierwotne służy do wzbudzenia pola magnetycznego w rdzeniu, połączone jest z generatorem przebiegu okresowego i wzmacniaczem oraz rezystorem szeregowym.
- Napięcie na rezystorze jest proporcjonalne do pola magnetycznego w rdzeniu.
Uzwojenie wtórne służy do mierzenia indukcji magnetycznej.

Parametry magnetyków:
* Natężenie pola magnetycznego – H [A/m]
* Przenikalność magnetyczna – μ0, μ [H/m]
* Indukcyjność – L [H]
* Strumień indukcji magnetycznej – Φ [Wb]
* Indukcja magnetyczna – B [T]
* Magnetyzacja – M {A/m]
* Podatność magnetyczna - χm

Parametry magnetyka wyznacza się poprzez analizę jego odpowiedzi na pobudzenie zmiennym natężeniem pola magnetycznego (zewnętrzne pole):
* Bs - maksymalna wartość indukcji magnetycznej (indukcja nasycenia), po osiągnięciu maksymalnego uporządkowania domen magnetycznych.
* μ - bezwzględna przenikalność magnetyczna, nachylenie krzywej pierwotnej magnesowania.
* Różniczkując krzywą pierwotną otrzymujemy zależność przenikalności magnetyczne od natężenia pola magnetycznego (H)
* Na podstawie krzywej pierwotnej magnesowania można zdefiniować trzy przenikalności magnetyczne – μi (względna poczatkowa) μmax (względna maksymalna) μ4 (względna dla pola magnetycznego o natężeniu 4 A/m)
* W – energia pola magnetycznego, całkowanie pól pomiędzy charakterystycznymi częściami wykresów – między krzywą pierwotną, a pętlą histerezy.

Question 32

32. Proste zastosowania równania Schroedingera. Przenikanie elektronów przez barierę potencjału.

Answer 32

Równanie Schrödingera-
Zakłada, że cząstki mają właściwości falowe zgodnie z hipotezą fal materii de Broglie’a.

Rozwiązanie równania Schrödingera daje informacje o rozkładzie energii całkowitej danej cząstki.

Podstawowym zastosowaniem równania Schrödingera jest opis przenikania elektronów przez barierę potencjału.

Bariera potencjału – w podejściu klasycznym elektron o energii E<V0 zbliżający się do bariery zostałby od niej odbity. W podejściu kwantowym istnieje skończone prawdopodobieństwo, że elektron o energii E<V0 przedostanie się przez barierę potencjału i pojawi się po drugiej stronie.

Zjawisko tunelowania – opisane jest przez mechanikę kwantową i występuje podczas fuzji jądrowej oraz procesie rozpadu promieniotwórczego masywnych jąder atomowych.

Polega ono na tym, że istnieje niezerowe prawdopodobieństwo znalezienia się cząstki po drugiej stronie bariery potencjału mimo że E<V0.

Zastosowania równania Schroedingera:
* Rozwiązanie zagadnień związanych ze strukturą atomów w fizyce oraz chemii.
* Określenie dyskretnych poziomów energii, określenie formy funkcji falowej, na podstawie której wylicza się inne właściwości.
* Określenie poziomów energetycznych oraz gęstości ich obsadzeń w półprzewodniku.

Question 33

33. Przerzutniki i komparatory.

Answer 33

Przerzutnik – podstawowy element którego zadaniem jest zapamiętywanie i przetwarzanie danych.

Elementarnie układ sekwencyjny typu Moore’a. Wyróżniamy synchroniczne i asynchroniczne.

• W układzie synchronicznym stan wyjściowy ukształtowany jest zgodni z sygnałem zegarowym.
• W układzie asynchronicznym, stan wyjścia zmienia się w momencie zmiany sygnałów wejściowych z pewnym opóźnieniem.

Synchroniczne – mają wejścia zegarowe:
* Przerzutnik typu D – w momencie pojawienia się impulsu zegarowego, przerzutnik zapamiętuje stan jaki w tym czasie był na jego wejściu D.
- Przerzutnik typu T– jednowejściowy, gdy T = 1 zmienia swój stan, a gdy T = 0 pozostaje w stanie pierwotnym.
* Przerzutnik typu RS – jeśli na wejściu S ustawione jest 1 to na wyjściu Q będzie stan 1, a podając 1 na wejście R zostanie ustawiony stan 0. Kombinacja R=S=1 jest zabroniona.
* Przerzutnik typu JK – działa podobnie jak typu RS z tą różnicą, że gdy J=K=1 to stan przerzutnika się zmienia.

Asynchroniczny – nie ma wejścia zegarowego:
* Przerzutnik typu RS – działa podobnie do synchronicznego RS z tym, że na wejściach należy podać sygnały zanegowane w stosunku do RS.

Komparator – układ służący do porównywania dwóch liczb n-bitowych.
Układ sprawdza czy kolejne bity obu liczb są równe.

Wynik porównywania może być trojaki:
* Liczba A jest większa od liczby B (A>B)
* Liczba A jest mniejsza od liczby B (A<B)
* Liczba A jest równa liczbie B (A=B)

Najprostszym komparatorem jest bramka XNOR
1 jezeli na A i B sa te same wartości

Question 34

34. Przesłanki stosowania norm ISO serii 9000.

Answer 34

Normy ISO serii 9000 są opracowane przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO).

Mają na celu ustalenie wymagań dotyczących systemów zarządzania jakością w organizacjach.

Główne przesłanki ich stosowania to:

• Założenie jednolitości i zgodności:
  spójne podejście do zarządzania jakością na całym świecie,
  ułatwia handel międzynarodowy przez eliminację barier związanych z różnicami w systemach zarządzania jakością.
• Zaufanie klientów:
  Zapewnienie wysokiej jakości i zgodności z ustalonymi standardami, które budzą zaufanie klientów.
• Systemy zarządzania jakością:
  wytyczne dotyczące skutecznego zarządzania jakością w organizacjach, co prowadzi do osiągnięcia trwałego sukcesu poprzez ciągłe doskonalenie i monitorowanie procesów.
• Audyt systemów zarządzania:
  Ocena i weryfikacja zgodności z wymaganiami normy.
  efektywnie zarządzanie jakością swoich produktów i usług, co przyczynia się do ich globalnej konkurencyjności i zaufania konsumentów.

Korzyści wewnętrzne stosowania norm ISO serii 9000:
* Wzrost odpowiedzialności za jakość obsługi bądź wyrobu
* Poprawa jakości pracy
* Poprawa organizacji pracy
* Ustabilizowanie procesów
* Oszczędność materiałów, energii i czasu
* Zmniejszenie kosztów funkcjonowania przedsiębiorstwa
* Wzrost kontroli nad przedsiębiorstwem

Korzyści zewnętrzne stosowania norm ISO serii 9000:
* Poprawa wizerunku firmy
* Korzystniejsza pozycja przedsiębiorstwa na rynku
* Wzrost szansy na pozyskanie nowych zleceń
* Lepsze relacji firmy z bankami i ubezpieczycielami

Question 35

35. Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe.

Answer 35

Przetwornik analogowo-cyfrowy (AC, ADC):
* Przetwarza sygnał analogowy na sygnał cyfrowy.

• Proces obejmuje próbkowanie (dyskretyzację w czasie), kwantyzację (dyskretyzację amplitudy)
  i kodowanie.

Główne parametry to
rozdzielczość, częstotliwość próbkowania, zakres napięć wejściowych i czas konwersji.

Rodzaje przetworników: przetworniki kompensujące, całkujące, z porównaniem równoległym, z przetwarzaniem częstotliwościowym.

• Próbkowanie: Proces reprezentowania sygnału analogowego poprzez jego próbkowanie w równomiernych odstępach czasowych.
• Kwantyzacja: Proces przypisywania wartości amplitudy sygnału do najbliższych dostępnych poziomów kwantyzacji, co prowadzi do utraty pewnej informacji.
• Kodowanie: Konwersja skwantyzowanego sygnału na odpowiednią postać cyfrową lub binarną, aby mógł być dalej przetwarzany przez system cyfrowy.

Przetwornik cyfrowo-analogowy (C/A):

Przetwarza sygnał cyfrowy (np. liczby binarne) na sygnał analogowy (napięcie lub prąd).

• Główne parametry to
  rozdzielczość, zakres przetwornika, krok kwantowania i liczba poziomów (kroków kwantowania).
• Klasyfikacja ze względu na:
  o Rodzaj wielkości wyjściowej: napięcie lub prąd
  o Znak jednostki wyjściowej: unipolarne i bipolarne
  o Rodzaj źródła odniesienia: wewnętrzne lub zewnętrzne

Question 36

36. Przyrządy półprzewodnikowe ze złączem p-n; omówić i podać ich podstawowe zastosowania.

Answer 36

Dioda półprzewodnikowa – składa się z dwóch warstw półprzewodnika typu p i n, tworzących złącze p-n.
Prąd może przepływać przez diodę tylko w jednym kierunku.

• W kierunku przewodzenia bariera potencjału jest zmniejszona umożliwiając przepływ prądu,
• W kierunku zaporowym bariera potencjału jest zwiększona blokując przepływ prądu.

Wyróżnia się:

• Diody prostownicze – stosuje się najczęściej w urządzeniach zasilających. Przekształca prąd zmienny w jednokierunkowy prąd pulsacyjny, dioda pełni funkcję zaworu jednokierunkowego.
• Diody impulsowe – wykorzystywane są do przełączania napięć i prądów oraz formowania impulsów elektrycznych. Najczęściej pełnią rolę kluczy (przełączników). Charakteryzują się małą rezystancja w kierunku przewodzenia i dużą w kierunku wstecznym oraz krótkim czasem przełączania.
• Diody stabilizacyjne (Zenera) – stosuje się w układach stabilizacji napięć, ogranicznikach amplitudy, układach źródeł odniesienia. Wykorzystuje się ich pracę na odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej w zakresie przebicia. Wskutek przebicia lawinowego lub Zenera następuje szybki wzrost prądu przy niezmienionym prawie napięciu.
• Diody pojemnościowe – wykorzystuje się zmiany pojemności złącza p-n pod wpływem napięcia. Pracują zawsze przy wstecznym kierunku polaryzacji.

Tranzystor bipolarny – element półprzewodnikowy o trzech zaciskach, stanowiącym kombinacje dwóch złączy p-n; pnp oraz npn.

Nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony i dziury.

Zasada działania obu tranzystorów jest jednakowa, różnice występują tylko w polaryzacji zewnętrznych źródeł napięcia i kierunku przepływu prądu.

Wykorzystywane są jako:
* Wzmacniacze – wzmacniają sygnały analogowe
* Przełączniki – w układach cyfrowych i impulsowych
* Oscylatory – generują sygnały o określonych częstotliwościach.

Tranzystor polowy (JFET i MOSFET) – składają się z trzech warstw: źródła (source), drenu (drain) oraz bramki (gate). JFETy (sterowane przez napięcie przyłożone do złącza pn) są preferowane w zastosowaniach wymagających niskich szumów i wysokiej impedancji wejściowej, podczas gdy MOSFETy (sterowane przez napięcie przyłożone do izolowanej bramki) dominują w układach cyfrowych i aplikacjach wymagających szybkiego przełączania oraz wysokiej wydajności energetycznej.

Fotodioda: Wykorzystywana do detekcji światła poprzez konwersję fotonów na prąd, stosowana w czujnikach i odbiornikach światła.

Ogniwa słoneczne: Przetwarzają energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną, wykorzystując zjawisko fotowoltaiczne w złączu p-n.

Dioda elektroluminescencyjna (LED): Emituje światło podczas przepływu prądu, wykorzystywana w oświetleniu, wyświetlaczach i sygnalizacji.

Question 37

37. Stan nieustalony w obwodzie stałoprądowym RL oraz RC. Stała czasowa.

Answer 37

Stan nieustalony – krótkotrwały stan przejściowy z jednego stanu ustalonego do drugiego.

Najczęściej występuje po załączeniu i wyłączaniu źródła zasilania z obwodów.

Teoretycznie stan nieustalony trwa nieskończenie długo, jednakże w praktyce przyjmuje się skończony czas, który określa stała czasowa.

• Stan nieustalony w RC jest zwiazany z ładowaniem się kondensatora.
• Stan nieustalony w RL jest związany stabilizacją przepływu prądu przez cewke.

Stała czasowa τ – jest to czas, po upływie którego prąd nieustalony osiągnąłby wartość ustaloną, gdyby jego narastanie miało charakter liniowy,
czyli prędkość zwiększania się prądu była stała i równa prędkości zwiększania się w chwili początkowej.

stała czasowa dla obwodów:
RC: τ = RC,
RL: τ = L/R.

Question 38

38. Stosowalność różnych materiałów cienkowarstwowych dla realizacji precyzyjnych rezystorów, termorezystorów, kondensatorów, odcinków linii paskowych dla mikrofal, ścieżek połączeń, elektrod przeźroczystych przewodzących, itp.

Answer 38

• Rezystory: Wykorzystuje się ceramiczne, szklane lub krzemowe korpusy z metaliczną warstwą rezystywną, zwykle z NiCr lub TaN.
• Termistory: Zbudowane z polikrystalicznych półprzewodników, często z PbTe, w obudowie z polimeru.
• Kondensatory: Wykorzystują dielektryki takie jak TiO2, Al2O3 lub SiO2, z metalicznymi elektrodami jak pallad lub platyna.
• Odcinki linii paskowych, ścieżki przewodzące: Warstwy materiałów przewodzących jak miedź, glin, złoto, srebro, platyna.
• Elektrody przezroczyste przewodzące: Wykorzystuje się tlenki przewodzące (TCO) takie jak ITO (indium-tin-oxide), tlenki cynku, indu, cyny, a także materiały jak grafen lub domieszkowane tlenki cynku.

Question 39

39. Systematyka mikrosystemów z uwzględnieniem specyfiki materiałowej i technologicznej.

Answer 39

• MEMS (Zintegrowane urządzenie mikromechanoelektryczne): Składają się z części mechanicznych, elektronicznych i oprogramowania połączonych w jednym systemie. Najczęściej wykonane z krzemu, wykorzystywane w sensorach, aktuatorach i innych aplikacjach.
• MEOMS (Zintegrowane urządzenie optyczno-mikromechanoelektryczne): Podobne do MEMS, ale dodatkowo wykorzystujące światło. Często wykonane z krzemu i stosowane w zaawansowanych systemach optycznych.
• uTas (Mikrosystemy do analiz chemicznych): Zminiaturyzowane urządzenia, często w formie biochipów lub lab-on-chipów, wykonane głównie z krzemu i szkła, umożliwiające przeprowadzanie procesów i analiz chemicznych.
• Mikromaszyny (Miniaturowe mechanizmy): To miniaturowe mechanizmy, poruszające się za pomocą technologii mikroelektronicznych i mikromechanicznych. Mogą być stosowane jako mikroroboty przemysłowe.

Najczęściej stosowane materiały:
* Krzem monokrystaliczny (Si), polikrzem, tlenek krzemu SiO2, azotek krzemu Si3N4
* Szkło, kwarc
* Polimery – fotoczułe, poliimidy, PDMS
* Ceramika PZT (cyrkonian-tytanian ołowiu)
* Warstwy rezystywne – Pt, Ni, Cr, NiCr, Cr-SiO
* Warstwy przewodzące – metale (Au, Ag, Al, Ti, Pt)
* Warstwy dielektryczne – TiN, Al2O3, AlN, Si3N4
* Warstwy przewodzące przeźroczyste – ATO, ITO, ZnO

Technologie:
* Głębokiej, objętościowej mikroobróbki krzemu
* Powierzchniowej mikroobróbki krzemu
* LIGA
* Wytłaczanie, druk 3D

Question 40

40. Technika replikacji z wykorzystaniem matryc mikrochemicznych, zastosowanie w mikro-optyce.

Answer 40

Technika replikacji z wykorzystaniem matryc mikromechanicznych w mikrooptyce:
Polega na tworzeniu wielu identycznych elementów optycznych lub optoelektronicznych za pomocą matryc.

Przykładem może być produkcja miniaturowych szklanych soczewek na specjalnie przygotowanej formie (np. podłożu krzemowym), wykorzystując technikę bondingu anodowego z szkłem.

Ten proces pozwala na masową produkcję precyzyjnych elementów optycznych w mikroskalę, co jest kluczowe w mikrooptyce, gdzie wysoka jakość i powtarzalność są niezbędne.

Innego typu technologia jest wykorzystywana do formowania matryc mikroluster używanych do produkcji projektorów (DMD – Digital Micromirror Device).

Proces technologiczny bazuje na metodzie wytwarzania układów scalonych CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Dodatkowo stosuje się bezmaskową technikę mokrego/suchego trawienie.

Question 41

41. Tendencje rozwojowe współczesnej technologii półprzewodnikowej, przegląd podstawowych procesów mikro- i nanotechnologicznych.

Answer 41

Trendy we współczesnej technologii półprzewodnikowej:

• Miniaturyzacja – zmniejszenie wymiarów samego tranzystora (22nm, 16nm, 14nm, 10nm), jak i izolacji pomiędzy kolejnymi elementami półprzewodnikowymi, która jest niezbędna do poprawnego działania całego układu.
• Zmniejszenie poboru energii elektrycznej– w miarę zmniejszania samych tranzystorów, pobór energii spada (mniejsze pojemności złączowe potrzebne do przeładowania podczas przełączania się tranzystorów, napięcie zasilania również się obniża).
• Zmniejszenie strat mocy w układzie, polepszenie sprawności – duża gęstość upakowania elementów półprzewodnikowych w nowoczesnych procesach wymusza ograniczenie strat energii (brak miejsca na jej rozproszenie), jest to bardzo wymagające dla materiałów używanych jako metalizacje (duża gęstość prądu, wymagana możliwie najniższa rezystancja).
• Obniżenie kosztów produkcji – zwiększenie gęstości upakowania, ograniczenie błędów produkcyjnych oraz ograniczenie odpadów produkcyjnych.
• Uproszczenie produkcji – przy zachowaniu jakości lub nieznacznym jej obniżeniu, dzięki czemu obniżamy koszty produkcji.

Podstawowe procesy mikro i nanotechnologiczne:

• Nanotechnologie:
  o Fotolitografia UV, DUV i EUV – najszerzej stosowana metoda, zwłaszcza w produkcji komercyjnie używanych mikroprocesorów, pamięci półprzewodnikowej itp.
  o CVD (MOCVD,VPE) – metody chemicznego osadzania warstw z fazy gazowej, jej różne rodzaje zapewniają różne dokładności i precyzję nanoszonych warstw, często wykorzystywana w produkcji na niewielką skale lub laboratoryjnie.
  o PVD– wykorzystanie zjawisk fizycznych do osadzania warstw, również z fazy gazowej, metoda opiera się na krystalizacji, istnieje wiele rodzajów metody PVD (PAPVD, EBPVD itd.)
• Mikrotechnologie:
  o Sitodruk – metoda polegająca na użyciu rakli, sita oraz odpowiedniej pasty, a następnie wypaleniu całości. W zależności od użytej pasty i jej objętości, różnią się parametry samej warstwy. Sitodruk może być wykorzystywany do wytwarzania np. ceramicznych rezystorów grubowarstwowych, które są używane w praktycznie każdym projekcie elektronicznym.
  o LTCC, HTCC – układy ceramiczne, wypalane w niskiej lub wysokiej temperaturze, za pomocą tej technologii możemy realizować niewielkie wielowarstwowe układy scalone.
  o Top-down lub Bottom-up– są to metody składania układów scalonych.
  o Roll to roll– proces tworzenia płytek lub/i elementów elektronicznych w postaci zwijanych rolek metalicznej bądź plastikowej elastycznej folii, w skład tego procesu wchodzi wiele zaawansowanych technik produkcyjnych takich jak np. druk strumieniowy, metody nanoszenia warstw z obszaru CVD (PEVCVD), a także procesy litograficzne.

Question 42

42. Tranzystor bipolarny - wyjaśnić istotę właściwości wzmacniających przyrząd. Porównanie podstawowych parametrów tranzystorów bipolarnych i polowych oraz wynikających z nich możliwości zastosowania.

Answer 42

Tranzystor bipolarny jest podstawowym elementem elektronicznym zdolnym do wzmacniania prądu i napięcia.

Jego właściwości wzmacniające wynikają z możliwości sterowania dużym prądem kolektora przez mały prąd bazy, co jest kluczowe dla jego szerokiego zastosowania w układach wzmacniających, oscylatorach, przełącznikach i wielu innych urządzeniach elektronicznych.

Tranzystory Bipolarne

Budowa - Asymetryczna, składa się z trzech złącz: kolektora, bazy i emitera (CBE).

Sterowanie - Sterowanie prądowe - prąd bazy kontroluje prąd kolektora.

Transkonduktancja - zależna od budowy

Napięcie nasycenia - Niskie, około 0,1 V.

Napięcie maksymalne - Wysokie, około 200 V

Szumy - Więcej niż w tranzystorach polowych.

Zastosowania - Wykorzystywane jako wzmacniacze sygnału i przełączniki w różnych układach analogowych i cyfrowych.

             **Tranzystory polowe**

Budowa - Symetryczna, składa się z bramy, źródła i drenu (GSD).

Sterowanie napięciowe - napięcie bramy kontroluje prąd drenu.

Transkonduktancja - Zależy od rozmiarów struktury, ruchliwości nośników i właściwości dielektryka.

Napięcie nasycenia - Wyższe, kilka V
Napięcie maksymalne - Zazwyczaj mniejsze, kilkadziesiąt V.

Szumy - Mniej niż w tranzystorach bipolarnych.

Zastosowanie - Stosowane głównie jako wzmacniacze i przełączniki w układach cyfrowych, ze względu na swoje właściwości sterowania napięciowego i mniejszy pobór energii.

Question 43

43. Tranzystory polowe - systematyka, budowa i zastosowania. Porównanie podstawowych parametrów tranzystorów bipolarnych i polowych oraz wynikających z nich możliwości zastosowania.

Answer 43

Tranzystor polowy (JFET i MOSFET) – składają się z trzech warstw: źródła (source), drenu (drain) oraz bramki (gate).
JFETy (sterowane przez napięcie przyłożone do złącza pn) są preferowane w zastosowaniach wymagających niskich szumów i wysokiej impedancji wejściowej.
MOSFETy (sterowane przez napięcie przyłożone do izolowanej bramki) dominują w układach cyfrowych i aplikacjach wymagających szybkiego przełączania oraz wysokiej wydajności energetycznej.

Budowa - Symetryczna, składa się z bramy, źródła i drenu (GSD).

Sterowanie napięciowe - napięcie bramy kontroluje prąd drenu.

Transkonduktancja - Zależy od rozmiarów struktury, ruchliwości nośników i właściwości dielektryka.

Napięcie nasycenia - Wyższe, kilka V
Napięcie maksymalne - Zazwyczaj mniejsze, kilkadziesiąt V.

Szumy - Mniej niż w tranzystorach bipolarnych.

Zastosowanie - Stosowane głównie jako wzmacniacze i przełączniki w układach cyfrowych, ze względu na swoje właściwości sterowania napięciowego i mniejszy pobór energii.

Tranzystory Bipolarne

Budowa - Asymetryczna, składa się z trzech złącz: kolektora, bazy i emitera (CBE).

Sterowanie - Sterowanie prądowe - prąd bazy kontroluje prąd kolektora.

Transkonduktancja - zależna od budowy

Napięcie nasycenia - Niskie, około 0,1 V.

Napięcie maksymalne - Wysokie, około 200 V

Szumy - Więcej niż w tranzystorach polowych.

Zastosowania - Wykorzystywane jako wzmacniacze sygnału i przełączniki w różnych układach analogowych i cyfrowych.

Question 44

44. Typy sieci neuronowych i ich zastosowania.

Answer 44

• Sieci jednokierunkowe (Feedforward Neural Networks):
  o Składają się z warstw neuronów, gdzie sygnał przepływa tylko w jednym kierunku: od warstwy wejściowej, przez warstwy ukryte, do warstwy wyjściowej.
  o Zastosowania: rozpoznawanie wzorców, klasyfikacja danych, predykcja szeregów czasowych.
• Sieci rekurencyjne (Recurrent Neural Networks - RNNs):
  o Posiadają przynajmniej jedno sprzężenie zwrotne, co pozwala na pamiętanie poprzednich informacji i uwzględnianie ich w przetwarzaniu.
  o Zastosowania: analiza sekwencji danych, tłumaczenie maszynowe, generowanie tekstu, analiza danych czasowych.
• Sieci komórkowe (Cellular Neural Networks):
  o Elementy przetwarzające mają sprzężenia wzajemne tylko z najbliższymi sąsiadami, co pozwala na lokalne przetwarzanie informacji.
  o Zastosowania: przetwarzanie obrazów, rozpoznawanie wzorców w dynamicznie zmieniających się środowiskach.

Zastosowania sieci neuronowych:
* Rozpoznawanie i klasyfikacja wzorców.
* Predykcja szeregów czasowych.
* Analiza danych statystycznych.
* Odszumianie i kompresja dźwięku oraz obrazu.
* Sterowanie i automatyzacja.

Każdy rodzaj sieci neuronowej ma swoje specyficzne zastosowania, które wynikają z ich struktury i sposobu przetwarzania danych.

Sieci neuronowe są wykorzystywane w wielu dziedzinach, od rozpoznawania obrazów po sterowanie zaawansowanymi procesami przemysłowym.

Question 45

45. Układy MMIC - zarys budowy, wykorzystane w ich konstrukcji przyrządy półprzewodnikowe, zastosowania.

Answer 45

Układy MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuits):

Budowa:
* Układy MMIC są monolitycznymi układami scalonymi, gdzie na jednym chipie łączone są elementy aktywne (tranzystory) oraz bierne (rezystory, kondensatory, cewki).

• Materiały konstrukcyjne najczęściej używane to krzem i arsenek galu.
• W konstrukcji wykorzystuje się tranzystory polowe ze złączem m-s (MESFET) oraz tranzystory HEMT (High Electron Mobility Transistor).
• Dodatkowo stosuje się diody półprzewodnikowe oraz mikropaskowe linie transmisyjne.

Zastosowania:
* Stosowane są głównie w technice mikrofalowej, obsługując sygnały o częstotliwości od 300 MHz do 300 GHz.
* Zastosowania obejmują: mieszacze (mixery), wzmacniacze mocy, niskoszumne wzmacniacze, przełączniki wysokiej częstotliwości, oscylatory, oraz rozproszone linie przesyłowe.

Układy MMIC są kluczowe w zaawansowanych aplikacjach telekomunikacyjnych oraz technice mikrofalowej, gdzie wysokie częstotliwości i wymagania dotyczące małych rozmiarów są kluczowe.

Question 46

46. Układy scalone - cele i zalety integracji układów, rodzaje technologii układów scalonych.

Answer 46

Cele i zalety integracji układów scalonych:

• Miniaturyzacja sprzętu elektronicznego: Układy scalone pozwalają umieścić dużą liczbę elementów na małej powierzchni, co znacznie redukuje rozmiary urządzeń.
• Wzrost niezawodności: Integracja elementów na jednym chipie zmniejsza liczbę połączeń między nimi, co redukuje ryzyko uszkodzeń mechanicznych oraz problemów związanych z jakością połączeń.
• Ekonomia: Produkcja układów scalonych masowo jest tańsza niż produkcja i montaż wielu pojedynczych elementów.
• Zwiększenie szybkości działania: Krótsze połączenia między elementami na chipie prowadzą do szybszej transmisji sygnałów.

Rodzaje technologii układów scalonych:

• Monolityczne: Wszystkie elementy (aktywne i bierne) są wykonane w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika.
  Jest to najbardziej powszechna technologia z powodu niskiego kosztu produkcji masowej.
• Hybrydowe: Na izolacyjnej płytce nanoszone są warstwy przewodzące i rezystywne, które są następnie wytrawiane, tworząc układ połączeń elektrycznych i rezystorów.
  Technologia hybrydowa jest stosowana w zastosowaniach specjalnych, małoseryjnych i wymagających dużej niezawodności.

Podział ze względu na grubość warstw:
* Cienkowarstwowe (1 um)
* Grubowarstwowe (1-50 um)

Podział ze względu na technologię wytwarzania:

• TTL (Transistor-Transistor Logic) – elementy diodowe zastąpiono bipolarnymi tranzystorami wieloemiterowymi (najpopularniejsza obecnie).
• MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)– wykorzystujące tranzystory unipolarne z kanałem typu P (PMSO) i z kanałem typu N (NMOS).
  W technice PMOS i NMOS wykonuje się układy MSI i LSI zawierające całe bloki funkcyjne.
• CMOS (Complementary MOS) – wykorzystujące unipolarne tranzystory komplementarne (również popularna jak TTL)
• ECL (Emiter-Coupled Logic) – najszybsze układy wykorzystujące tranzystory bipolarne.
• CTD (Charge Transfer Device) – oparte na technologii MOS, wykorzystują zjawisko magazynowania i transportu ładunku, reprezentującego informacje, stosowane do budowy pamięci półprzewodnikowych.
• I2L (Integrated Injection Logic) – wykorzystujące tranzystory bipolarne, charakteryzują się dużą gęstością upakowania w strukturze scalonej.

Question 47

47. Wpływ dołączenia przyrządu pomiarowego na wartość mierzonej wielkości. (Problem przedstawić na wybranym przykładzie pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych).

Answer 47

Przyrządy pomiarowe mają wpływ na obwód, do którego są podłączone ze względu na swoje wewnętrzne rezystancje.

W przypadku pomiaru napięcia:

• Woltomierz: Dołączony równolegle do obciążenia.
  Idealnie powinien mieć nieskończenie wysoką rezystancję, aby nie wpływać na obwód mierzony.
  W praktyce jego rezystancja wynosi od kilkudziesięciu kiloohmów do gigaoomów, co może wpłynąć na dokładność pomiaru, szczególnie przy wysokich rezystancjach obciążenia.
• Amperomierz: Dołączony szeregowo z obciążeniem.
  Mierzy prąd płynący przez obciążenie, ale jego własna rezystancja może wpływać na prąd w obwodzie, szczególnie gdy jest ona znacząca w porównaniu do rezystancji obciążenia.
  Idealnie powinien mieć niską rezystancję, aby nie wprowadzać znacznego spadku napięcia i zmian prądu w obwodzie.

Na rysunku a i b
a) przedstawiono układ poprawnego pomiaru napięcia.
Woltomierz jest wpięty równolegle do obciążenia, a więc mierzone jest napięcie na obciążeniu. Amperomierz jednak mierzy prąd obwodu, który przepływa następnie tak przez obciążenie, jak i przez woltomierz.

b) przedstawiono układ poprawnego pomiaru prądu.
Amperomierz jest wpięty szeregowo tylko z obciążeniem, a więc mierzy prąd przez nie przepływający. Woltomierz natomiast mierzy napięcie na szeregowym układzie amperomierz-obciążenie.

Question 48

48. Wpływ temperatury na półprzewodniki i wykorzystanie tego efektu w przyrządach półprzewodnikowych.

Answer 48

Konduktywność (przewodność elektryczna właściwa) półprzewodników jest silnie uzależniona od temperatury.

Główne zjawiska to:
1. Półprzewodniki samoistne:

• Przy wzroście temperatury rośnie prawdopodobieństwo termicznego wzbudzenia elektronów do pasma przewodnictwa, co zwiększa koncentrację nośników prądu.
• Mimo że ruchliwość nośników prądu maleje przy wzroście temperatury, to wzrost koncentracji nośników prądu powoduje, że opór elektryczny półprzewodnika maleje.

2. Półprzewodniki domieszkowane:

• Zależność konduktywności od temperatury dzieli się na trzy zakresy:

 Zakres I (niskie temperatury): Wzrost koncentracji nośników prądu wskutek generacji termicznej par elektron-dziura oraz zjonizowania atomów domieszek.

 Zakres II (średnie temperatury): Stabilizacja koncentracji nośników prądu, gdzie konduktywność zależy od stałej koncentracji nośników pochodzących z domieszek.

 Zakres III (wysokie temperatury): Przewaga generacji termicznej par elektron-dziura, prowadząca do wzrostu koncentracji nośników prądu i wykładniczego wzrostu konduktywności.

Zależności konduktywności różnych rodzajów materiałów w funkcji temperatury, przedstawione w różnych układach. Dla półprzewodników domieszkowanych i samoistnych – zależność σ(1/T), dla materiałów amorficznych ln σ (1/T1/4)

Wykorzystanie tego efektu w przyrządach półprzewodnikowych:

• Termistory: Rezystory półprzewodnikowe, których rezystancja jest silnie zależna od temperatury.
• NTC (Negatice Temperature Coefficient) - TWR<0, czyli rezystancja maleje ze wzrostem temperatury (najczęściej stosowane).
• PTC (Positive Temperature Coefficient) – TWR>0, w ograniczonym zakresie temperatur rezystancja rośnie, gdy rośnie temperatura.
• CTR (Critical Temperature Resistor) – TWR<0 o dużej wartości bezwzględnej w wąskim zakresie temperatur.
  o Wykorzystywane są w układach pomiarowych, stabilizatorach temperatury, układach zabezpieczających obwody elektryczne, układach opóźniających.
• Czujniki temperatury: Wykorzystujące zmiany konduktywności półprzewodników w zależności od temperatury, na przykład tranzystory.

Question 49

49. Wykorzystanie właściwości złączą p-n; omówić na przykładzie różnych typów diod półprzewodnikowych

Answer 49

Złączem PN nazywamy bryłę półprzewodnika utworzoną przez dwa graniczące ze sobą obszary typu P oraz N

W obszarze typu N

• nośnikami większościowymi są elektrony (-).
• Atomy domieszek nazywane są donorami.

W obszarze typu P

• nośnikami większościowymi są dziury (+).
• Atomy domieszek nazywane są akceptorami.

Róże typy diod półprzewodnikowych:

• Dioda prostownicza - zjawisko zmiany szerokości bariery potencjału w zależności od wartości i kierunku przyłożonego napięcia zewnętrznego.

Zbudowana z dwóch warstw półprzewodnika odmiennie domieszkowanych – typu n i typu p. Przewodzi w jednym kierunku od anody do katody. Stosowana jako prostownik prądu.

• Dioda pojemnościowa– zjawisko zmian pojemności warstwy zaporowej złącza PN pod wpływem polaryzacji w kierunku wstecznym.
  Złącze pn spolaryzowane w kierunku zaporowym charakteryzuje pewna pojemność elektryczna, która (nieliniowo) zależy od szerokości obszaru zubożonego. Wykonywane zazwyczaj z krzemu lub arsenku galu.
• Fotodioda – pracuje przy polaryzacji złącza w kierunku wstecznym, przez nieoświetloną fotodiodę przy E=0 płynie prąd ciemny.
  Oświetlenie powoduje generację dodatkowych nośników i wzrost prądu wstecznego.
  Charakteryzuje się dużą szybkością działania (znacznie większa niż fotorezystor).
• Fotoogniwo– pracuje w układzie bez polaryzacji zewnętrznej.
  Oświetlenie złącza powoduje powstanie siły elektromotorycznej.
• Dioda LED – opera się na zjawisku elektroluminescencji, czyli wydzielaniu światła pod wpływem pola elektrycznego w obszarze złącza p-n.
  Emituje światło przy rekombinacji elektronów i dziur w obszarze złącza. Stosowana jako oświetlenie, latarki, sygnalizatory, telewizory.

Question 50

50. Wymienić przykładowe elementy elektroniczne oraz przyrządy półprzewodnikowe i wyjaśnić od czego zależą ich właściwości.

Answer 50

Rezystor - Rezystancja elementu zależy od jego wymiarów geometrycznych
oraz od materiału z jakiego jest wykonany – jego rezystywności, która to z kolei zależna jest od temperatury.
Wpływ na rezystancję R rezystora mają:

• Rodzaj materiału z którego jest wykonany,
• Wymiary,
• Technologia i dokładność produkcji
  temperatura, której wpływ określa TWR (temperaturowy współczynnik rezystancji).

Kondensator– stanowi układ dwóch lub więcej przewodników rozdzielonych od siebie dielektrykiem.
Elementy metaliczne zwane okładkami gromadzą ładunki elektryczne równe co do wartości, lecz o przeciwnych znakach. Cechy które wpływają na ich właściwości:

• Pojemność znamionowa – określa granice w jakich zawiera się pojemność kondensatora
• Napięcie znamionowe– najwyższe napięcie jakie może być doprowadzone w sposób ciągły
• Moc bierna
• Temperaturowy współczynnik pojemności

Cewka – dwukońcówkowy element bierny zdolny do gromadzenia energii w polu magnetycznym, podstawowy parametr to indukcyjność. Dla cewki napięcie jest proporcjonalne do szybkości zmian prądu.

przykładowe przyrządy półprzewodnikowe
Dioda półprzewodnikowa:

• Prostownicza– wykorzystuje kierunek przewodzenia i kierunek zaporowy do prostowania napięcia sinusoidalnego.
• Stabilizacyjna (Zenera) – wykorzystuje zjawisko Zenera, objawia się gwałtownym wzrostem prądu gdy napięcie polaryzujące przekroczy charakterystyczną wartość.
• Pojemnościowa – wykorzystuje pojemność złączową diody, regulacja pojemności przyłożonym napięciem.
• Fotodioda – przy braku polaryzacji oraz oświetleniu zachowuje się jak źródło prądu, do diody podłączone jest napięcie w kierunku zaporowy, dioda pełni rolę rezystora którego opór zależy od oświetlenia.

Tranzystor:

• Bipolarny -wzmacnianie sygnału elektronicznego, charakteryzuje się tym, że niewielki prąd płynący pomiędzy dwiema jego elektrodami (baza i emiterem) steruje większym prądem płynącym między innymi elektrodami (kolektor i emiter).
• Unipolarny –prąd płynie przez półprzewodnik o jednym typie przewodnictwa.
  Prąd wyjściowy jest w nich funkcją napięcia sterującego. Napięcie przyłożone do bramki zmienia przewodnictwo kanału, wpływając w ten sposób na płynący prąd.

Question 51

51. Wzmacniacze mocy.

Answer 51

Może być zarówno pojedynczym układem elektronicznym zawierającym jeden element aktywny, jak również bardziej złożonym systemem zawierającym w swojej strukturze oprócz właściwego stopnia wzmacniającego pewną liczbę współpracujących z nim dodatkowych bloków.

Zadaniem wzmacniacza mocy jest dostarczanie do obciążenia sygnału zapewniającego wydzielenie pożądanej mocy elektrycznej.

Podstawowe parametry:

• Współczynnik zniekształceń harmonicznych (Total Harmonic Distortion, THD) – parametr opisujący liniowość wzmacniacza. Wartość wyznacza się na podstawie wartości amplitud napięć o częstotliwościach harmonicznych występujących w sygnale wyjściowym wzmacniacza pobudzonego sygnałem sinusoidalnym.
• Współczynnik zniekształceń harmonicznychTHD+N (THD + Noise) – opisuje liniowość wzmacniacza, ale zawiera informacje o występujących w sygnale wyjściowym szumach.
• Znamionowa moc wyjściowa – wartość mocy, jaka wzmacniacz może wydzielić na znamionowej impedancji obciążenia w ciągu określonego czasu.
• Pasmo przenoszenia mocy – jest określone przedziałem częstotliwości, na którego krańcach moc wyjściowa jest mniejsza o 3dB do mocy znamionowej.
• Sprawność energetyczna – określa stosunek moc wydzielanej przez wzmacniacz w obciążeniu do mocy pobieranej z obwodów zasilających.

Klasy wzmacniaczy mocy

• Klasa A – przez element aktywny prąd płynie przez cały okres sygnału sterującego.
• Klasa B – sygnał wejściowy powoduje, że element aktywny przewodzi prąd tylko przez połowę okresu trwania sygnału sterującego.
• Klasa C – sygnał wejściowy powoduje, że element aktywny przewodzi prąd przez czas krótszy niż pół okresu trwania sygnału sterującego.
• Klasa AB – sygnał wejściowy powoduje, że element aktywny przewodzi prąd przez czas krótszy niż jeden okres T trwania sygnału sterującego, ale dłuższy niż pół okresu. Jest to klasa pośrednia miedzy klasami A i B.
• Klasa D – tranzystory wyjściowe są sterowane impulsowo z regulowanym współczynnikiem wypełnienia. Tego typu sterowanie PWM charakteryzuje się dużą sprawnością i jest szczególnie często stosowane w automatyce.

Question 52

52. Liniowe i impulsowe stabilizatory napięcia.

Answer 52

Liniowe stabilizatory napięcia - Regulują rezystancje w obwodzie, co pozwala na utrzymanie stałego napięcia wyjściowego.
Regulacja odbywa się przez tranzystor pracujący w trybie liniowym, który dostosowuje opór w odpowiedzi na zmiany napięcia wejściowego lub obciążenia.

Impulsowe stabilizatory napięcia (przetwornice)– umożliwiają wytworzenie wyższego stabilnego napięcia wyjściowego niż napięcie dostarczane ze źródła zasilania.
Takie działanie odbywa się na podstawie zjawiska samoindukcji tzn, przełączania tranzystorów między stanem włączonym i wyłączonym z wysoką częstotliwością.
Energia jest magazynowana w elementach indukcyjnych i pojemnościowych, a następnie dostarczana do obciążenia.

Liniowe stabilizatory napięcia są prostsze i generują mniej szumów, ale są mniej efektywne energetycznie.

Impulsowe stabilizatory napięcia oferują wysoką sprawność i są bardziej wszechstronne, ale generują więcej szumów i są bardziej skomplikowane w konstrukcji.
Wybór odpowiedniego stabilizatora zależy od konkretnych wymagań aplikacji, takich jak efektywność energetyczna, poziom zakłóceń, zakres napięć i prądów, oraz koszty.

Parametry:

• Napięcie wyjściowe (Vout) – zakres napięcia, które stabilizator utrzymuje na wyjściu.
• Napięcie wejściowe (Vin) – zakres napięcia, które stabilizator utrzymuje na wejściu.
• Prąd wyjściowy (Iout) – maksymalny prąd, jaki stabilizator może dostarczyć.
• Sprawność(Efficiency) – stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej.
• Tętnienia wyjściowe (Output Ripple) – zakłócenia w napięciu wyjściowym wynikające z pracy stabilizatora.
• Regulacja Liniowa (Line Regulation) – zdolność stabilizatora do utrzymania stałego napięcia wyjściowego przy zmianach napięcia wejściowego.
• Regulacja obciążeniowa (Load Regulation) – zdolność stabilizatora do utrzymania stałego napięcia wyjściowego przy zmianach obciążenia.
• Zakres temperatury pracy – temperatura, w której stabilizator działa prawidłowo.

Question 53

53. Pętla synchronizacji fazowej PLL.

Answer 53

Pętla synchronizacji fazowej (Phase-Locked Loop – PLL) – stanowy jeden z podstawowych układów wykorzystywanych w nowoczesnej elektronice.

Służy do modulacji i demodulacji częstotliwości (FM, FSK), syntezy częstotliwości regeneracji sygnałów zegarowych, synchronizacji, demodulacji amplitudy (AM) itd.

Znajduje szerokie zastosowanie w takich urządzeniach jak modemy, odbiorniki telewizyjne, odbiorniki radiowe, mikroprocesory, układy logiki programowalnej, generatory częstotliwości wzorcowych itp.

Ze względu na zasadę działania rozróżnia się dwa rodzaje pętli synchronizacji fazowej:

• Analogowa – sygnały sterujące maja postać analogową .
• Cyfrowa – sygnały sterujące stanową ciąg impulsów napięciowych odpowiadających stanom logicznym zera i jedynki.

Zadaniem pętli PLL jest zrównanie częstotliwości generatora wbudowanego fg z częstotliwością generatora wzorcowego fw tak, aby różnica faz przebiegów była niezmienna w czasie.

Detektor fazy dokonuje porównania przesunięcia fazowego sygnałów fw oraz fg. Napięcie wyjściowe Ud(t) , proporcjonalne do różnicy faz, jest przetwarzane w bloku filtru dolnoprzepustowego, celem usunięcia niepożądanych składowych.

W następnym kroku napięcie to podawane jest na wejście generatora VCO.

W generatorze VCO następuje konwersja napięcia na odpowiadającą mu częstotliwość, która porównywana jest dalej w bloku detektora fazy.

Dodatkowo można zastosować dzielnik częstotliwości, dzięki któremu istnieje możliwość powielania częstotliwości wzorcowej fw.

Question 54

54. Zalety montażu powierzchniowego w porównaniu z montażem przewlekanym.

Answer 54

Montaż powierzchniowy (SMD Surface Mount Technology) – sposób montowania podzespołów elektronicznych na płytce.
Elementy charakteryzują się niewielkimi wymiarami, mają płaskie obudowy i końcówki lutownicze w formie kołnierzy obejmujących końce obudowy.

Montaż przewlekany– (THT, Through Hole Technology) – sposób montowania podzespołów elektronicznych na płytce obwodu drukowanego PCB.
Elementy mają wyprowadzenia w postaci drutów, które w trakcie montażu przewlekane są przez otwory w płytkach i lutowane do ścieżek przewodzących po przeciwnej stronie płytki niż montowany element.

Zalety montażu powierzchniowego:

• Oszczędność miejsca na płytce PCB
• Mniejsza ilość otworów musi zostać wywiercona na płytce
• Duża gęstość rozmieszczenia elementów
• Miniaturyzacja urządzeń
• Automatyzacja procesu produkcyjnego
• Duża szybkość montażu
• Mała impedancja połączeń
• Możliwa produkcja dużych serii w krótkim czasie
• Dobre wartości mechaniczne w warunkach wstrząsów lub wibracji
• Zwiększanie skuteczności odprowadzania ciepłą przez przeciwną do kontaktów stronę niezabudowanej struktury
• Możliwość rozmieszczenia komponentów po obu stronach płytki drukowanej

Question 55

55. Wpływ temperatury na właściwości elektryczne metali. Jak obserwowane zmiany wpływają na działanie pasywnych elementów elektronicznych bądź są wykorzystywane w czujnikach?

Answer 55

Wpływ temperatury na własności elektryczne metali:

• Przewodnictwo właściwe (σ):
  Parametr mierzący zdolność materiału do przewodzenia prądu elektrycznego.
  Dla metali przewodnictwo właściwe maleje ze wzrostem temperatury ze względu na spadek ruchliwości nośników ładunku elektrycznego.
• Rezystywność (ρ):
  Parametr odwrotnie proporcjonalny do przewodnictwa właściwego, mierzący opór właściwy materiału.
  Dla metali rezystywność wzrasta liniowo wraz ze wzrostem temperatury.

Wykorzystanie w czujnikach:
Rezystancyjne czujniki temperatury, takie jak Pt100, wykorzystują zależność rezystancji metalu (platyny w przypadku Pt100) od temperatury.
Pt100 charakteryzuje się tym, że jego rezystancja zmienia się liniowo wraz ze zmianą temperatury, co jest wykorzystywane do precyzyjnego pomiaru temperatury.
Pt100 ma rezystancję 100 Ω przy 0°C i współczynnik temperaturowy rezystancji (TWR) wynoszący 3900 ppm/K.
Czujniki tego typu znajdują zastosowanie w szerokim spektrum aplikacji, gdzie wymagane są dokładne pomiary temperatury.

Question 56

56. Wpływ temperatury na dielektryki i magnetyki. Jak obserwowane zmiany wpływają na działanie pasywnych elementów elektronicznych?

Answer 56

Dielektryki:

• Przerwa wzbroniona:
  Dielektryki charakteryzują się szeroką przerwą wzbronioną, co oznacza, że nie posiadają swobodnych nośników ładunku jak półprzewodniki.
  Koncentracja nośników nie zmienia się wraz z temperaturą.
• Jony:
  W dielektrykach mogą występować jony, których koncentracja jest stała i nie zależy od temperatury.
  Te jony mogą wpływać na właściwości dielektryka, takie jak jego dielektryczna stała właściwa.
• Wzrost temperatury:
  Wzrost temperatury może wpłynąć na dielektryki poprzez zmiany ich dielektrycznych właściwości, takich jak dielektryczna stała właściwa czy straty dielektryczne.
  Jednakże te zmiany są zazwyczaj mniej istotne niż w przypadku półprzewodników.

Magnetyki:

• Właściwości magnetyczne: Magnetyki posiadają właściwości magnetyczne, które mogą zmieniać się wraz ze zmianą temperatury.
• Temperatura Curie: Jest to temperatura, powyżej której magnetyk traci swoje właściwości magnetyczne.
  Dla różnych materiałów magnetycznych temperatura Curie może być różna.
• Wpływ na elementy elektroniczne:
  W pasywnych elementach elektronicznych, takich jak cewki i transformatory, magnetyki są kluczowymi elementami.
  Zmiany właściwości magnetycznych mogą wpływać na ich charakterystyki, takie jak indukcyjność i straty energii.

Question 57

57. Zasada działania kamertonu piezoelektrycznego.

Answer 57

Kamerton piezoelektryczny wykorzystuje właściwości piezoelektryczne kryształu kwarcowego do generowania sygnału elektrycznego o stabilnej częstotliwości.

• Materiał piezoelektryczny: Kamerton używa kryształu kwarcowego, który wykazuje efekt piezoelektryczny, czyli generuje pole elektryczne pod wpływem mechanicznego odkształcenia.
• Struktura kamertonu:
  Na płytkę kwarcową nanoszone są cienkie elektrody metalowe.
  Podanie zmiennej w czasie napięcia na te elektrody powoduje mechaniczne odkształcenia kryształu.
• Rezonans mechaniczny:
  Kryształ kwarcowy posiada naturalne częstotliwości rezonansowe, na których może drgać mechanicznie.
  Dzięki sprzężeniu pola elektrycznego z odkształceniami mechanicznymi, kamerton może rezonować na dokładnie określonych częstotliwościach.
• Zastosowania:
  Kamertony piezoelektryczne są wykorzystywane jako stabilne źródła częstotliwości w różnych urządzeniach elektronicznych, takich jak zegary kwarcowe, oscylatory do syntez częstotliwości czy standardy czasu.

Esencja działania kamertonu piezoelektrycznego leży w wykorzystaniu efektu piezoelektrycznego kryształu kwarcowego do generowania stabilnego sygnału rezonansowego, który może być dalej wykorzystany w elektronice do precyzyjnego mierzenia i generowania częstotliwości.

Question 58

58. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne. Określ warunki występowania oraz przykłady zastosowania.

Answer 58

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne:

• Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne (fotoemisja, fotoefekt, efekt fotoelektryczny):
  Warunki występowania: Emisja elektronów zachodząca wskutek absorpcji promieniowania elektromagnetycznego (podczerwonego, widzialnego, nadfioletowego) przez ciało emitujące.
  Foton padający na ciało powinien mieć energię większa od pracy wyjścia elektronu z danej substancji (warunek Einsteina).
  Przykłady zastosowania: Fotokomórki, fotodiody, wytwarzanie elektronów w lampach elektronowych.
• Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne - Nośniki ładunku (elektrony lub dziury) w półprzewodnikach mogą być wzbudzane do pasma przewodnictwa lub walencyjnego przez absorpcję fotonów o odpowiedniej energii.
  o Warunki występowania: Energia fotonu musi być większa od szerokości przerwy energetycznej.
  Przykłady zastosowania: Fotodiody, ogniwka słoneczne (fotowoltaika), czujniki promieniowania.

Esencja zjawiska fotoelektrycznego obejmuje emisję elektronów z materiału lub wzbudzenie nośników ładunku w półprzewodnikach poprzez absorpcję odpowiedniej energii fotonów. Zjawisko to znajduje zastosowanie w różnych technologiach, takich jak detektory światła, panele słoneczne czy lampy elektronowe.

Question 59

59. Źródła mocy mikrofalowej - klasyfikacja, porównanie parametrów i obszarów zastosowań.

Answer 59

Mikrofale – fale elektromagnetyczne znajdujące się w widmie pomiędzy falami ultrakrótkimi, a podczerwienią.

Stosowane w radiolokacji, telekomunikacji satelitarnej i urządzeniach grzewczych.

Do generacji mikrofal stosuje się specjalne lampy elektronowe, masery lub generatory półprzewodnikowe.

W przesyłaniu mikrofal stosuje się falowody.

1. Klasyfikacja źródeł mocy mikrofalowej:

a) Lampy mikrofalowe:

• Klistron wielownękowy: Lampa wzmacniająca o wysokiej sprawności (do 60%), dużym wzmocnieniu (40-60 dB) i wąskim paśmie pracy (1-2%). Stosowany do częstotliwości do 30 GHz.
• Lampa z falą bieżącą (LFB): Wykorzystywana w satelitach telekomunikacyjnych oraz radarach, charakteryzuje się dużym wzmocnieniem (20-60 dB) i średnią sprawnością (do 50%).
• Magnetrony: Lampy o polach skrzyżowanych, powszechnie używane w radiolokalizacji. Charakteryzują się wysoką mocą wyjściową i stosunkowo niską sprawnością.

b) Diody:

• Dioda waraktorowa: Zmienia swoją pojemność w zależności od przyłożonego napięcia wstecznego.
• Dioda ładunkowa: Generuje impulsy prądu o dużej wartości dzięki skokowej strukturze złącza.
• Dioda Gunna, tunelowa i lawinowo-przelotowa: Wykorzystują zjawiska związane z ujemną rezystancją dynamiczną do przetwarzania energii.

c) Tranzystory mikrofalowe HEMT:
o HEMT (High Electron Mobility Transistor): Wykorzystywane do 10 GHz dla krzemowych i do 100 GHz dla azotku galu. Charakteryzują się wysoką mobilnością elektronów.

2. Porównanie parametrów:

• Lampy mikrofalowe oferują wysokie wzmocnienie, ale często mają niższą sprawność w porównaniu do tranzystorów i diod.
• Tranzystory mikrofalowe HEMT są efektywne w wyższych pasmach częstotliwościowych i cechują się dobrą sprawnością.
• Diody mikrofalowe różnią się pod względem rodzaju złącza i zastosowania, od waraktorowych po diody tunelowe.

3. Obszary zastosowań:

• Kuchenki mikrofalowe: Wykorzystują mikrofalowe źródła do szybkiego gotowania.
• Systemy radiotelekomunikacyjne: W tym linie radiowe, systemy satelitarne, Bluetooth, Wi-Fi.
• Motoryzacja: Czujniki radarowe do systemów bezpieczeństwa.
• Systemy satelitarne: Telewizja satelitarna, systemy nawigacji GPS.

Question 60

60. Źródło napięciowe i prądowe. Warunki równoważności źródeł.

Answer 60

Modele:

• Rzeczywiste – uwzględniają rezystancję/konduktancję wewnętrzną (ograniczenie prądu/napięcia).
• Idealne – nie uwzględniają rezystancję/konduktancję wewnętrzną (brak ograniczenia prądu/napięcia)

Rodzaje:

• Sterowane – napięcie/prąd są niezależne
• Niesterowane – napięcie/prąd zależą liniowo lub nieliniowo od napięcia/prądu płynącego w innej gałęzi obwodu.

Źródło napięcia – definiowane jako element dwuzaciskowy, na którego zaciskach panuje zawsze taka sama różnica potencjałów czyli inaczej mówiąc, napięcie niezależne od dołączonego do tych zacisków obciążenia.
Jest to prawdziwe dla tzw. Idealnego źródła napięcia pozbawionego rezystancji wewnętrznej.
Rzeczywiste źródło napięcia – posiada rezystancje wewnętrzną.

Najczęściej spotykanie źródła napięcia:

• Baterie
• Akumulatory
• Zasilacze
• Fotoogniwa

Idealne źródło prądu stałego – element aktywny, przez który płynie prąd
I = const niezależnie od napięcia panującego na jego zaciskach.

Rzeczywiste źródło prądu – charakteryzuje się tym, że wraz ze wzrostem napięcia na jego zaciskach, prąd zmniejsza się.

Warunki równoważności źródeł – porównywając charakterystyki prądowo-napięciowe rzeczywistych źródeł napięcia i prądu.
Obydwie mają taki sam kształt, co oznacza, że przy odpowiednym doborze parametrów jedno źródło można zastąpić drugim co może ułatwić obliczenia.
Aby charakterystyki były identyczne muszą spełniać warunek E = J/Rw, gdzie E – siła elektromotoryczna źródła napięcia, J – prąd źródłowy źródła prądu, Rw – rezystancja wewnętrzna.