Podstawy elektroniki - Co ma tranzystor do transformatora

2010-09-03
Podstawy elektroniki - Co ma tranzystor do transformatora

Rozwój technologii estradowej - zresztą nie tylko tej - nie byłby możliwy bez elektroniki. W zasadzie każdy element wyposażenia PA, w większym czy mniejszym stopniu, jest nią nafaszerowany. Oczywiście, nie każdy musi być elektronikiem, któremu rzut oka wystarczy, by rozgryźć budowę tego czy innego urządzenia.

Niemniej jednak wydaje mi się, że podstawową wiedzę w tym temacie powinien posiadać każdy technik estradowy. Dlatego pozwalamy sobie zamieścić ten mikro-leksykon pojęć elektronicznych dla każdego, kto dopiero zaczyna pracę w branży albo choć chciałby uzupełnić swą wiedzę w tym zakresie.


DIODA

Najprostszy element półprzewodnikowy w pełnym tego słowa znaczeniu, nieodzowny m.in. w zasilaczach prądu stałego, w których tworzy (z innymi "kolegami") tzw. mostek Graetza. W największym uproszczeniu mówiąc, dioda służy do przepuszczania przepływu prądu tylko w jednym kierunku, co czyni ją idealnym narzędziem m.in. do "prostowania" prądu, czyli zamiany przemiennego w stały, a właściwie tętniący.

Rezystor, inaczej opornik, to tzw. bierny element elektroniczny, którego jedynym zadaniem jest stawianie oporu przepływającemu prądowi, a tym samym ograniczanie owego przepływu.

W największym uproszczeniu mówiąc, dioda służy do przepuszczania przepływu prądu tylko w jednym kierunku, co czyni ją idealnym narzędziem m.in. do „prostowania” prądu.

Jak wiadomo, prąd przemienny okresowo zmienia kierunek przepływu, natomiast dioda "prostuje" go, dopuszczając ruch elektronów tylko w jedną stronę, zgodnie z tzw. polaryzacją. Posłużmy się analogią z organizmem ludzkim. Odpowiednikiem diody w naszych ciałach są np. zastawki sercowe. Otwierają się one przy każdym pulsie, przepuszczając krew w jedną stronę - zależnie od miejsca, w którym się znajdują, natlenioną lub powracającą do serca w celu natlenienia - i, poprzez domykanie, zapobiegając jej ruchowi w kierunku przeciwnym.

To oczywiście bardzo duże uproszczenie, bo wspomniane prostowanie prądu to tylko jedno z zastosowań diod - w tym przypadku tzw. prostowniczych. Powszechnie są stosowane także, jakkolwiek niekoniecznie w sprzęcie PA, diody stabilizacyjne, tunelowe, pojemnościowe i szereg innych. Jeśli chodzi o naszą "działkę", to coraz powszechniejsze zastosowanie znajdują tu diody elektroluminescencyjne, powszechnie określane jako LED.

Ich działanie polega na wytwarzaniu światła pod wpływem przepływającego prądu. Jak w żarówce, choć na innej zasadzie i z o wiele większą efektywnością… Protoplastą diod półprzewodnikowych były diody próżniowe, czyli lampy elektronowe o dwóch elektrodach: anodzie i katodzie. Podstawowymi parametrami technicznymi diody prostowniczej są: prąd znamionowy, czyli średnia wartość natężenia prądu w kierunku przewodzenia, oraz powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne - przekroczenie progu tej ostatniej wartości może doprowadzić do zniszczenia diody.

Wartość ta określa bowiem poziom napięcia, powyżej którego następuje gwałtowny wzrost prądu przepływającego w kierunku przeciwnym do nominalnego. Pozostańmy jeszcze chwilę przy diodzie, ale elektroluminescencyjnej. Zasada jej działania polega na zamianie energii elektrycznej na świetlną, czyli wywołaniu emisji fotonów.

Diody LED charakteryzują podobne parametry, co zwyczajne diody, ale oprócz nich istotne dla nas są jeszcze dwa - światłość, czyli zdolność diody do wydzielania energii świetlnej, wyrażana w kandelach, oraz długość fali promieniowania świetlnego, która decyduje o kolorze emitowanego światła. Miejsca wlutowywania diod na płytach PCB oznaczane są literą D.


REZYSTOR

Zwykle kondensatory mają postać „wałeczków”, istnieją też kondensatory o kształcie prostopadłościanu, kulki, pastylki lub łezki.

Inaczej opornik. Jest to tzw. bierny element elektroniczny, którego jedynym zadaniem jest stawianie oporu przepływającemu prądowi, a tym samym ograniczanie owego przepływu. W efekcie następuje spadek napięcia - adekwatny do natężenia płynącego prądu - czemu towarzyszy wydzielanie mocy w postaci ciepła. Rezystor nie jest półprzewodnikiem w dosłownym tego słowa znaczeniu. Choć często uważa się go za element półprzewodnikowy, to jednak z samej zasady wynika, że przeznaczeniem takowego jest przepuszczanie prądu w jednym kierunku.

Opornik natomiast przepuszcza go w obie strony i nie ma znaczenia sposób jego wlutowania. Podstawowym parametrem rezystora jest, jak łatwo się domyślić, rezystancja. Wynika ona z rezystywności materiału, z jakiego wykonany został opornik, a także wielkości tegoż. Drugim parametrem określającym rezystor jest tolerancja, czyli dopuszczalna odchyłka od nominalnej wartości rezystancji.

W przypadku najprostszych i najtańszych rezystorów może ona sięgać nawet 20%. Obie wartości zazwyczaj oznaczane są kolorowymi paskami na korpusie rezystora. Trzecim, istotnym parametrem rezystora jest moc prądu, z jakim jest w stanie sobie poradzić, zanim ulegnie sfajczeniu. Warto jeszcze wspomnieć o tym, że istnieją rezystory o rezystancji zmieniającej się w zależności od określonych warunków - np. termistory, fotorezystory.


POTENCJOMETR

Jest to rezystor o zmiennej rezystancji. Zbudowany jest w oparciu o tzw. ścieżkę oporową, po której porusza się styk ślizgowy. To swego rodzaju "zawór", za pomocą którego możemy regulować przepływ prądu. Tak jak kran, który reguluje siłę strumienia przepływającej przezeń wody. Może mieć formę regulatora obrotowego - jak np. regulatory korekcji w mikserze - lub suwakowego. W tym drugim przypadku zazwyczaj pełni rolę fadera, tzw. "hebla", czyli regulatora poziomu w kanale miksera.

Nie sposób wyobrazić sobie konsolety bez potencjometrów (o tym jak to drzewiej wyglądało, i jak sobie radzono z regulacją poziomu sygnału w "antycznych" konsoletach pisze Marek Witkowski w swoim artykule o historii konsolety w tym numerze LSP). Przy okazji warto omówić różnicę pomiędzy rezystancją i impedancją, ponieważ oba te terminy często bywają mylone, czemu sprzyja to, że obie wielkości mierzone są przy użyciu tej samej jednostki, czyli oma (Ω).

Otóż rezystancja jest właściwością określającą nominalny, tzw. czynny opór danego przewodnika. Oblicza się ją przy użyciu jednego z podstawowych wzorów w elektrotechnice, czyli R=U/I (gdzie R to rezystancja, U to napięcie, zaś I to natężenie płynącego prądu). Wzór ten wynika z tzw. pierwszego prawa Ohma. Tłumacząc je na język ludzki można powiedzieć, że im większa jest rezystancja opornika, tym mniejsze staje się natężenie przepływającego przezeń prądu lub tym większy następuje spadek napięcia.

Bilans musi się zgadzać. Impedancja jest to tzw. opór zespolony, w którym rezystancja odgrywa jedynie rolę składnika. Dodajmy, że tzw. składnika stałego lub rzeczywistego. Z czystą rezystancją mamy do czynienia jedynie w przypadku rezystora idealnego, który w zasadzie nie istnieje. Każdy opornik charakteryzuje się również określoną pojemnością i indukcyjnością, co w sumie tworzy impedancję. Drugim elementem tej układanki jest więc reaktancja - żeby było śmiesznie, również mierzona w omach - będąca tzw. urojonym składnikiem impedancji.

Chodzi o to, że np. odcinek drutu, z którego wykonana jest cewka głośnika, ma swoją, w pełni mierzalną rezystancję. Ale fakt, iż tworzy on cewkę, w której następuje indukcja elektromagnetyczna, sprawia, że ma ona określoną reaktancję, w efekcie czego wynikowa, całkowita impedancja (czyli tak jakby opór dla prądu zmiennego) cewki jest większa niż tylko ta wynikająca z rezystancji nawiniętego drutu. Wpływ mają także zmiany napięcia oraz zależności fazowe pomiędzy nim i natężeniem płynącego prądu, jak również częstotliwość, z jaką płynący prąd zmienia swoją biegunowość. Temat ten porusza także Marek Witkowski w artykule "Impedancja", zamieszczonym w tym numerze LSP.



KONDENSATOR

Kondensacja to termin określający "gromadzenie" czy też "zbieranie się". W przypadku kondensatora chodzi o kumulowanie ładunku elektrycznego. Jednak nie w taki sposób, jak ma to miejsce w baterii czy akumulatorze. Kondensator ma bowiem zdolność do impulsowego ładowania i wyładowywania, w trakcie którego całkowicie pozbywa się nagromadzonej energii. Chyba każdy uczeń szkoły elektronicznej zna przykry dowcip polegający na niespodziewanym przyłożeniu naładowanego kondensatora do ciała kolegi.

Większość tranzystorów ma trzy końcówki (nóżki), ale np. tranzystory w metalowych obudowach TO-3 i TO-66 mają dwie nóżki – trzecią elektrodę stanowi sama obudowa.

Wizualnie tyrystor, a ściślej rzecz biorąc triak, często przypomina tranzystor

W zależności od typu i pojemności kondensatora różnica potencjałów pomiędzy okładzinami może sięgać nawet tysięcy woltów. Jeśli by odwołać się do analogii "wodnej", to akumulator należałoby przyrównać do butelki o wąskiej szyjce, zaś kondensator do wiaderka. Opróżnianie butelki trwa proporcjonalnie długo do jej napełniania, natomiast wiaderkiem można nabrać wody jednym ruchem, a następnie równie sprawnie ją wylać.

W najprostszej formie kondensator składa się z dwóch zwiniętych okładzin, oddzielonych materiałem o bardzo małym przewodnictwie elektrycznym, czyli dielektrykiem. Zwykle kondensatory mają postać "wałeczków", często sterczących pionowo na płycie drukowanej. Istnieją też kondensatory o kształcie kuli, pastylki lub łezki. Kształt jest po części związany z typem kondensatora. Jednym z najważniejszych zastosowań kondensatorów, głównie tzw. foliowych - przy czym chodzi tu o folię aluminiową, z której wykonane są okładziny - jest w naszej branży użycie ich w układach głośnikowych filtrów analogowych, czyli inaczej mówiąc w zwrotnicach.

W tym wydaniu, współpracując zwykle z rezystorami oraz cewkami, tworzą układy filtrów RLC. Innym przykładem użycia kondensatorów są zasilacze impulsowe. W tym przypadku ich rola polega na gromadzeniu ładunku i wygładzaniu napięcia prądu płynącego z prostownika. Kondensatory pełnią więc rolę swego rodzaju "filtrów". Technologia zasilaczy impulsowych znacznie rozwinęła się w ostatnich latach, a opracowywane obecnie, oparte na niej wzmacniacze mocy cechują się znacznie mniejszymi wymiarami i masą, przy porównywalnym poziomie oddawanej mocy, niż konstrukcje zasilane tradycyjnymi zasilaczami liniowymi z transformatorem.

Kondensatory znajdują też zastosowanie w urządzeniach oświetleniowych, takich jak stroboskopy i lampy wyładowcze, kumulując ładunek niezbędny do wywołania wyładowań elektrycznych - stąd nazwa tego typu lamp. Jednostką miary pojemności kondensatora jest farad (stosowany raczej w przypadku tzw. superkondensatorów) i jego pochodne - mikrofarad (μF), nanofarad (nF) oraz pikofarad (pF). Częstym uszkodzeniem kondensatorów elektrolitycznych jest tzw. spuchnięcie, co jest skutkiem zwiększenia objętości elektrolitu w wyniku gazowania i objawia się wypchnięciem górnego denka.

Bywa, że towarzyszy temu wyciek elektrolitu. Lekko napuchnięte kondensatory mogą jeszcze przez jakiś czas działać, ale warto je wymienić jak najszybciej, gdyż z dużym prawdopodobieństwem można założyć, że sprzęt zacznie wyraźnie szwankować. Znacznie bezpieczniejsze pod tym względem są kondensatory ceramiczne, ale w pewnych zastosowaniach nie mogą zastępować elektrolitycznych. Istnieją też kondensatory o zmiennej pojemności - taki odpowiednik potencjometru - zwane trymerami. Miejsca wlutowania kondensatorów oznaczane są literą C.


TRANZYSTOR

Tranzystory polowe (lub unipolarne), np. MOSFET mają – tak samo jak bipolarne – trzy złącza: źródło, dren i bramkę.

To jeden z tych elementów półprzewodnikowych, bez których nie mielibyśmy dziś tylu wspaniałych "zabawek". Większość tranzystorów ma trzy końcówki (nóżki), a nie dwie, jak rezystory, diody czy kondensatory. Ale np. tranzystory w metalowych obudowach TO-3 i TO-66 także mają dwie nóżki - trzecią elektrodę stanowi sama obudowa. Wynalezienie tranzystora w roku 1947 stanowiło kamień milowy na drodze rozwoju nowoczesnej elektroniki.

Do dziś liczba tranzystorów stanowi wykładnik stopnia zaawansowania układów elektronicznych, przede wszystkim tzw. scalonych. Tranzystor zawiera zazwyczaj trzy warstwy o różnym typie przewodnictwa - w przypadku tzw. tranzystorów bipolarnych: bazę, emiter i kolektor lub, jeśli chodzi o tzw. tranzystory polowe (lub unipolarne), np. MOSFET, źródło (odpowiednik emitera), dren (odpowiednik kolektora) i bramkę (odpowiednik bazy).

Zasadę działania tranzystora można opisać w skrócie w sposób następujący: przepływ niewielkiego prądu - gdy tranzystor "otwiera się" - pomiędzy dwiema elektrodami: bazą i emiterem, powoduje przepływ większego prądu z emitera do kolektora. Ta zasada działania sprawia, że tranzystory są na szeroką skalę stosowane jako wzmacniacze. Wyróżnia się przy tym trzy typy pracy - ze wspólną bazą, wspólnym emiterem i wspólnym kolektorem. Jednym z najważniejszych parametrów tranzystora jest wzmocnienie czyli proporcja pomiędzy prądem kolektora i prądem bazy. W tranzystorach unipolarnych funkcję sterującą pełni bramka, której zadaniem jest tworzenie kanału przewodzącego prąd pomiędzy źródłem i drenem.


TYRYSTOR

Element ten jest dla nas o tyle interesujący, że często stosuje się go jako element tzw. dimmerów czyli ściemniaczy. Obecnie jednak odchodzi się już od tej technologii. Działanie tyrystora jest mniej więcej takie, jakie dają dwa połączone tranzystory. W ten sposób przedstawia się jego tzw. schemat zastępczy. Zresztą nawet wizualnie tyrystor, a ściślej rzecz biorąc triak, często przypomina tranzystor. Także i podobieństwo nazw nie jest przypadkowe. Tyrystor ma budowę podobną do tranzystora, ale składa się z czterech warstw półprzewodnikowych.

Jedna z nich nie ma wyprowadzenia i dlatego właśnie cały tyrystor ma tylko trzy nogi. Z kolei tyrystor pod postacią diaka ma konstrukcję podobną do tranzystora npn, ale bez wyprowadzenia bazy. Działanie tyrystora, w dużym uproszczeniu, polega na tym, że gdy do bramki nie jest przyłożone napięcie, tyrystor w zasadzie nie przewodzi prądu. Jeśli do bramki zostanie doprowadzone napięcie dodatnie względem katody, wówczas następuje "zapłon" tyrystora i przez jego środkowe, zaporowe złącze może płynąć prąd. Tyrystory mają szerokie zastosowanie, nie tylko we wspomnianych wcześniej dimmerach.



TRANSFORMATOR

Element równie istotny, co często niezauważany (aczkolwiek po dotarciu do wnętrza urządzenia np. typu wzmacniacz mocy przeważnie jako pierwszy rzuca się w oczy). Podstawowym zadaniem transformatora jest zmiana wartości napięcia - co ważne, tylko napięcia zmiennego. Efekt ten uzyskuje się dzięki wykorzystaniu zjawiska indukcji magnetycznej - prąd przepływający w uzwojeniu pierwotnym powoduje (za pośrednictwem tzw. rdzenia, który jest głównym "winowajcą" dużej masy transformatorów) indukowanie przepływu prądu w drugim, o napięciu obniżonym lub podwyższonym wprost proporcjonalnie do stosunku liczby zwojów w obu zwojnicach.

Podstawowym zadaniem transformatora jest zmiana wartości napięcia – co ważne, tylko napięcia zmiennego.

Najważniejszym parametrem elektrycznym cewki jest indukcyjność, czyli zdolność do generowania strumienia magnetycznego pod wpływem przepływającego przezeń prądu.

Natomiast zgodnie z tzw. prawem zachowania energii natężenie prądu indukowanego jest odwrotnie proporcjonalne do tegoż stosunku. Mówiąc po ludzku, jeśli uzwojenie pierwotne ma 1.000 zwojów i przyłączone jest do źródła prądu o napięciu 230 V, zaś drugie uzwojenie składa się z 500 zwojów, to na jego końcówkach uzyskamy napięcie dwukrotnie (1.000/500 = 2) mniejsze, czyli 115 V. Mówimy wówczas, że jest to transformator o przekładni równej 2.

Często uzwojenia wtórne mają tzw. odczepy - są to dodatkowe wyprowadzenia, które umożliwiają uzyskanie różnych, proporcjonalnych do stosunku liczby zwojów, napięć. Właściwie jedynym uszkodzeniem, jakiemu może ulec transformator, jest przerwanie lub przepalenie uzwojenia. O ile w przypadku przepalenia uzwojenia pierwotnego następuje całkowita "śmierć" transformatora, to uzwojenie wtórne z odczepami może w zasadzie funkcjonować do ostatniego odczepu przed miejscem uszkodzenia. Zepsuty transformator można naprawić poprzez operację tzw. przezwajania. Zastosowania transformatorów są bardzo szerokie - od zasilaczy, poprzez diboksy (patrz art. Marka Witkowskiego), po wszelkiego rodzaju przetwornice.


UKŁAD SCALONY

Jest to jeden wielki pakunek elementów półprzewodnikowych. To jednocześnie ogólne określenie zminiaturyzowanego układu złożonego z nawet setek milionów elementów, takich jak tranzystory, oporniki i diody. Skala integracji tych układów jest tak nieprawdopodobna, że gdyby zechcieć zbudować odpowiednik np. współczesnego procesora komputerowego, stosując rozwiązania sprzed wynalezienia półprzewodników, a więc przede wszystkim lampy elektronowe, to całość tak skomplikowanego urządzenia zajęłaby prawdopodobnie kilkanaście, jeśli nie kilkadziesiąt dużych pomieszczeń.

Pierwszy komputer, ENIAC, skonstruowany tuż po II wojnie światowej składał się z około 18.000 lamp i ważył ponad 27 ton. Zbudowano go na powierzchni 140 metrów kwadratowych. Układy scalone pokazują więc najlepiej, do jakiego stopnia rozwinęła się elektronika w ciągu zaledwie kilku dekad. Zastosowanie układów scalonych jest bardzo szerokie i wszechstronne, także w sprzęcie audio. Pełnią tu one role procesorów, kontrolerów i szereg innych.

Produkcja układów scalonych, ze względu na ogromną ich miniaturyzację, przebiega w warunkach tak sterylnych, że nie powstydziłby się ich żaden szpital, choćby i o najostrzejszym rygorze higienicznym. Wynika to stąd, iż nawet najdrobniejsze ziarnka pyłu mogą zaburzyć strukturę ścieżek i elementów. Oczywiście, produkcja ta nie polega na tym, że ktoś tam siedzi w fabryce i lutuje poszczególne tranzystory. Technologia polega na czymś zupełnie innym i wykorzystuje zaawansowane maszyny i urządzenia.


CEWKA

Niby taki sobie zwój drutu… Oczywiście, nie taki byle jaki, tylko uporządkowany, równo nawinięty. Cewka spełnia dwojakie zadania, zależnie od zastosowania - po przyłożeniu napięcia do końcówek uzwojenia wytwarza pole magnetyczne; jeśli sama zaś porusza się w polu magnetycznym, wówczas indukuje prąd elektryczny. Cewka w pierwszym "wydaniu" stanowi integralny i nieodzowny element głośnika dynamicznego, a w drugim mikrofonu, również dynamicznego.

Najważniejszym parametrem elektrycznym cewki jest indukcyjność, czyli zdolność do generowania strumienia magnetycznego pod wpływem przepływającego przezeń prądu. Jednostką indukcyjności jest henr. Cewki odgrywają fundamentalną rolę nie tylko w konstrukcji głośników i mikrofonów, ale także w szeregu innych urządzeń - bez nich nie powstałyby np. transformatory.


ZWROTNICA

Nie chodzi tu, rzecz jasna, o element wyposażenia torowiska kolejowego, a o zespół co najmniej dwóch filtrów elektroakustycznych, których rolą jest dzielenie pasma akustycznego pomiędzy dwa lub więcej głośników. Zwrotnice występują w dwóch odmianach - pasywnej i aktywnej. Zwrotnice pasywne są zwykle stosowane w domowych zestawach głośnikowych i pasywnych systemach i zestawach nagłośnieniowych, które pracują ze stosunkowo niedużymi mocami, jakkolwiek nie jest to regułą.

W tym przypadku są to zazwyczaj filtry zbudowane z odpowiednio dobranych parametrami kondensatorów, cewek i oporników. Wadą takiego rozwiązania jest to, że część mocy dostarczanej do zestawu głośnikowego ulega utracie na zwrotnicy, a ponadto występuje możliwość - szczególnie w przypadku wooferów - że indukowane w ich cewkach prądy zwrotne będą powracać i wpływać na pracę pozostałych głośników w zestawie.

Zastosowanie układów scalonych jest bardzo szerokie i wszechstronne, także w sprzęcie audio – pełnią role procesorów, kontrolerów i szereg innych.

Zwrotnice pasywne to zazwyczaj filtry zbudowane z odpowiednio dobranych parametrami kondensatorów, cewek i oporników.

Dlatego w przypadku dużych systemów stosuje się głównie zwrotnice aktywne, po angielsku opisywane jako crossover, które dokonują podziału pasma przed wzmocnieniem sygnału. Zazwyczaj stanowią one integralny element procesorów głośnikowych i pozwalają na precyzyjne dobranie punktów podziału pasma, czego nie umożliwiają zwrotnice pasywne.

To, co tu przedstawiłem, to tylko sam czubek góry lodowej, jedynie podstawowe informacje. Ale też nie chodziło mi o zrobienie elektronika z kogokolwiek. Artykuł ten jest jedynie próbą zapoznania Was z elementami elektronicznymi, z jakich buduje się sprzęt, z którego korzystamy w codziennej pracy.

Live Sound & Instalation Newsletter
Krótko i na temat, zawsze najświeższe informacje