Fizik notesnota, bab 5

Elektronik

Notes made with reference toNota dibuat dengan rujukan kepada TextbookBuku teks Fizik Tingkatan 5 Kurikulum Standard Sekolah Menengah (KSSM), pageshalaman 172–197

What this chapter coversMatlamat bab ini

Saya boleh menerangkan pancaran termion dan penghasilan sinar katod dalam tiub vakum (5.1.1)
Saya boleh menerangkan kesan medan elektrik dan medan magnet ke atas sinar katod menggunakan tiub pemesongan dan tiub palang Maltese (5.1.2)
Saya boleh menyelesaikan masalah halaju maksimum elektron dalam tiub sinar katod menggunakan eV = ½mv²maks (5.1.3)
Saya boleh menerangkan fungsi diod semikonduktor dalam keadaan pincang depan dan pincang songsang (5.2.1)
Saya boleh menerangkan rektifikasi gelombang separuh dan gelombang penuh serta peranan kapasitor sebagai perata arus (5.2.2)
Saya boleh menerangkan transistor npn dan pnp serta litar tapak dan litar pengumpul (5.3.1)
Saya boleh menerangkan fungsi transistor sebagai amplifier arus dan menghitung faktor penggandaan β (5.3.1)
Saya boleh menerangkan litar transistor sebagai suis automatik kawalan cahaya dan penggera kawalan suhu menggunakan pembahagi voltan (5.3.2)

5.1Elektron

Pancaran termion dan sinar katod

Pancaran termion ialah pemancaran elektron bebas daripada permukaan logam yang dipanaskan. Sinar katod ialah alur elektron yang bergerak dengan kelajuan tinggi dalam vakum.

Terdapat banyak elektron bebas dalam seutas dawai logam seperti filamen tungsten. Apabila bekalan kuasa a.t. 6 V dihidupkan, suhu filamen tungsten meningkat dan elektron bebas memperoleh tenaga kinetik yang cukup untuk terpancar keluar daripada permukaan logam. Apabila tiub vakum disambungkan kepada bekalan kuasa voltan lampau tinggi (V.L.T.), elektron yang terpancar di katod ditarik ke anod pada kelajuan tinggi dan membentuk alur elektron. Alur ini melengkapkan litar V.L.T. dan bacaan miliammeter menunjukkan pengaliran arus.

Tiub kaca vakum dengan filamen tungsten, katod, anod, alur elektron, bekalan kuasa 6 V, bekalan kuasa V.L.T. dan miliammeter — Pancaran termion dan penghasilan sinar katod dalam tiub vakum (Rajah 5.1)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 174.

Tiub mesti dalam keadaan vakum supaya elektron dapat memecut ke anod tanpa berlanggar dengan molekul udara. Maka tiada kehilangan tenaga dan elektron bergerak dengan halaju maksimum.
Jika sambungan ke bekalan kuasa V.L.T. disongsangkan, anod tidak lagi menarik elektron dan miliammeter tidak menunjukkan sebarang bacaan.

Kesan medan elektrik dan medan magnet ke atas sinar katod

Ciri-ciri sinar katod dikaji menggunakan tiub pemesongan (medan elektrik) dan tiub palang Maltese (bayang-bayang dan medan magnet).

Tiub pemesongan dengan plat pemesongan dan grid berpendarfluor, suis S1, S2 dan S3 — Tiub pemesongan (Rajah 5.2)

Tiub palang Maltese dengan bayang-bayang pada skrin berpendarfluor — Tiub palang Maltese (Rajah 5.3)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 176 dan 177.

Radas	Keadaan suis	Pemerhatian dan penerangan
Tiub pemesongan	S₁ dan S₂ dihidupkan	Sinar katod bergerak secara lurus.
Tiub pemesongan	S₁, S₂ dan S₃ dihidupkan	Sinar katod dipesongkan oleh medan elektrik dan terpesong ke plat bercas positif membentuk laluan jenis parabola. Maka sinar katod bercas negatif.
Tiub palang Maltese	S₁ dihidupkan	Cahaya daripada filamen tungsten yang panas dihalang oleh palang Maltese untuk menghasilkan bayang-bayang. Cahaya bergerak secara lurus.
Tiub palang Maltese	S₁ dan S₂ dihidupkan	Sinar katod dihalang oleh palang Maltese dan menghasilkan bayang-bayang, maka sinar katod bergerak secara lurus. Sinar katod juga menghasilkan kesan berpendarfluor pada skrin, maka sinar katod mempunyai momentum dan tenaga kinetik.
Tiub palang Maltese	S₁, S₂ dihidupkan dan magnet didekatkan	Bayang-bayang kedua (daripada sinar katod) bergerak. Sinar katod dipesongkan oleh medan magnet dan arah pesongan ditentukan oleh petua tangan kiri Fleming.

Rumusan ciri sinar katod: bergerak secara lurus; bercas negatif; dipesongkan oleh medan elektrik dan medan magnet; menyebabkan kesan berpendarfluor; mempunyai momentum dan tenaga kinetik.

Langkah berjaga-jaga: jangan sentuh mana-mana bahagian logam tiub pemesongan atau tiub palang Maltese apabila bekalan kuasa V.L.T. sedang digunakan, dan matikan suis V.L.T. apabila tiada pemerhatian direkodkan.

Halaju elektron dalam tiub sinar katod

Tenaga keupayaan elektrik, E, bagi satu elektron yang melalui beza keupayaan V antara katod dengan anod ialah E = eV. Cas satu elektron ialah e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C. Oleh sebab tiada molekul udara dalam vakum, semua tenaga ini menjadi tenaga kinetik maksimum apabila elektron tiba di anod (prinsip keabadian tenaga):

eV = ½ mv_maks², maka v_maks = √(2eV / m)
e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C, m = 9.11 × 10⁻³¹ kg

Tiub sinar katod dengan katod, anod, elektron, sambungan ke pam vakum dan bekalan kuasa V.L.T. — Tiub sinar katod (Rajah 5.4)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 179.

Contoh 1 (buku teks, m.s. 180)

Beza keupayaan merentasi katod dengan anod ialah 550 V. Cari (a) tenaga keupayaan elektrik satu elektron, (b) tenaga kinetik yang diperoleh apabila tiba di anod, (c) halaju maksimum elektron.

(a) eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ × 550 = 8.8 × 10⁻¹⁷ J.

(b) Menurut prinsip keabadian tenaga, tenaga kinetik = tenaga keupayaan elektrik = 8.8 × 10⁻¹⁷ J.

Oleh sebab v_maks berkadar dengan √V, apabila V digandakan empat kali, v_maks hanya menjadi dua kali ganda.

Hitung halaju maksimum elektron yang dipecut melalui beza keupayaan 800 V.

Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan

eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ × 800 = 1.28 × 10⁻¹⁶ J. v_maks = √(2 × 1.28 × 10⁻¹⁶ / 9.11 × 10⁻³¹) = 1.68 × 10⁷ m s⁻¹.

5.2Diod semikonduktor

Fungsi diod semikonduktor

Diod semikonduktor ialah komponen elektronik yang membenarkan arus elektrik mengalir dalam satu arah tertentu sahaja. Diod dihasilkan dengan menggabungkan semikonduktor jenis-p dan jenis-n untuk membentuk satu simpang p-n. Dalam simbol diod, anod (+) di sebelah segi tiga dan katod (−) di sebelah garis.

Semikonduktor jenis-p dan jenis-n terhasil melalui proses pendopan, iaitu atom bendasing dicampurkan ke dalam struktur kekisi hablur semikonduktor tulen. Pembawa cas majoriti bagi semikonduktor jenis-p ialah lohong (bertindak sebagai pembawa cas positif) manakala bagi semikonduktor jenis-n ialah elektron.

Jadual sambungan diod: litar pincang depan dan litar pincang songsang dengan lapisan susutan nipis dan lebar — Sambungan diod dalam litar ringkas (Jadual 5.2)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 182.

	Litar pincang depan	Litar pincang songsang
Sambungan	Terminal positif sel kepada anod, terminal negatif kepada katod	Terminal positif sel kepada katod, terminal negatif kepada anod
Gerakan pembawa cas	Lohong bergerak ke arah semikonduktor jenis-n dan elektron ke arah jenis-p	Lohong dan elektron bergerak menjauhi lapisan susutan
Lapisan susutan	Menjadi nipis	Menjadi lebar
Voltan simpang V dan rintangan diod	V berkurang; rintangan sangat kecil	V meningkat hingga sama dengan beza keupayaan bateri; rintangan sangat besar
Arus dan mentol	Arus mengalir; mentol menyala	Arus berhenti; mentol tidak menyala

Diod tidak memutuskan arus kerana ia rosak. Dalam keadaan pincang songsang ia ialah rintangan yang sangat besar, bukan pengalir; arus hanya mengalir apabila anod disambung ke kutub positif.

Rektifikasi arus ulang-alik

Rektifikasi ialah proses penukaran arus ulang-alik (a.u.) kepada arus terus (a.t.). Terdapat dua jenis: rektifikasi gelombang separuh dan rektifikasi gelombang penuh.

Satu kitaran lengkap arus ulang-alik terdiri daripada separuh kitar positif dan separuh kitar negatif. Dalam rektifikasi gelombang separuh, diod pincang depan semasa separuh kitar positif dan membenarkan arus mengalir, tetapi pincang songsang semasa separuh kitar negatif dan tiada arus mengalir.

Litar rektifikasi gelombang separuh dengan satu diod dan perintang R; gelombang input sinusoid dan output hanya separuh kitar positif — Rektifikasi gelombang separuh (Rajah 5.8)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 184.

Rektifikasi gelombang penuh menggunakan empat diod yang disusun sebagai rektifier tetimbang. Susunan ini membenarkan arus mengalir dalam satu kitar lengkap pada arah yang sama melalui beban R.

Separuh kitar	Diod pincang depan	Diod pincang songsang
Positif	D₁ dan D₂	D₃ dan D₄
Negatif	D₃ dan D₄	D₁ dan D₂

Rektifier tetimbang semasa separuh kitar positif: anak panah menunjukkan arus melalui D1 dan D2 dan merentasi R — Separuh kitar positif (Rajah 5.9)

Rektifier tetimbang semasa separuh kitar negatif: anak panah menunjukkan arus melalui D3 dan D4 dan merentasi R — Separuh kitar negatif (Rajah 5.10)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 184.

Arus yang melalui R sentiasa mengalir pada arah yang sama. Paparan pada osiloskop sinar katod (O.S.K.) ialah satu siri denyutan dengan setiap separuh kitar digunakan (Rajah 5.11, m.s. 185). Output ini ialah arus terus, tetapi tidak rata.

Kapasitor sebagai perata arus

Rektifikasi gelombang separuh dan gelombang penuh menghasilkan arus output yang tidak rata. Oleh itu, kapasitor, C, disambung selari dengan beban R sebagai perata arus.

Apabila beza keupayaan meningkat, kapasitor dicas dan tenaga disimpan dalam kapasitor.
Apabila beza keupayaan menyusut, kapasitor dinyahcas supaya arus output tidak menurun ke nilai sifar. Tenaga yang disimpan mengekalkan beza keupayaan merentasi perintang R.

Litar dan graf perataan output rektifikasi gelombang separuh dan gelombang penuh oleh kapasitor, dengan kawasan kapasitor dicaskan dan dinyahcaskan — Perataan output rektifikasi gelombang separuh dan gelombang penuh oleh kapasitor (Rajah 5.12)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 186.

Kapasitor disambung selari dengan beban, bukan bersiri. Dalam rektifikasi gelombang penuh, kapasitor dicas dua kali lebih kerap sepanjang satu kitar, maka riak output lebih kecil.

Satu daripada empat diod dalam rektifier tetimbang terbakar dan tidak lagi mengalirkan arus. Apakah yang berlaku pada output?

Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan

Litar bertindak seperti rektifier gelombang separuh: satu separuh kitar bagi setiap kitar tiada arus, maka terdapat sela antara denyutan dalam output (jawapan Praktis Sumatif 3(c): rektifikasi gelombang separuh berlaku).

5.3Transistor

Transistor npn dan pnp

Transistor ialah satu komponen elektronik yang mempunyai tiga terminal, iaitu pengeluar (E), tapak (B) dan pengumpul (C).

Pengeluar, E, berfungsi membekalkan pembawa cas kepada pengumpul.
Tapak, B, ialah lapisan nipis di bahagian tengah transistor untuk mengawal pengaliran pembawa cas daripada pengeluar ke pengumpul.
Pengumpul, C, berfungsi menerima pembawa cas daripada pengeluar.

Transistor npn dengan lapisan N, P, N dan transistor pnp dengan lapisan P, N, P serta simbol masing-masing — Transistor npn dan transistor pnp (Jadual 5.3)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 187.

Dalam simbol, anak panah pada pengeluar menunjukkan arah aliran arus: dari B ke E bagi transistor npn dan dari E ke B bagi transistor pnp.

Litar bertransistor

Satu litar bertransistor mengandungi dua bahagian utama, iaitu litar tapak dan litar pengumpul.

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 188.

Apabila suis terbuka, mentol L₁ tidak menyala kerana litar tapak tidak lengkap dan arus tapak I_B ialah sifar. Mentol L₂ juga tidak menyala walaupun litar pengumpul lengkap, kerana transistor tidak dihidupkan dan arus pengumpul I_C ialah sifar.
Apabila suis ditutup, mentol L₁ menyala dengan malap kerana perintang R_B berintangan tinggi dan I_B sangat kecil. Mentol L₂ menyala dengan terang kerana I_C besar berbanding I_B.
Arus tapak yang kecil menghasilkan suatu voltan, V_BE. Apabila V_BE mencapai satu nilai minimum, litar pengumpul akan dihidupkan. V_BE minimum ialah 0.7 V bagi transistor silikon dan 0.3 V bagi transistor germanium.
Rintangan R_B adalah besar untuk mengehadkan arus tapak supaya transistor tidak menjadi panas dan terbakar.
Bagi transistor pnp, kekutuban bateri bagi kedua-dua litar tapak dan litar pengumpul diterbalikkan, dan arah semua arus (I_B, I_E, I_C) juga disongsangkan.

Peringatan: jika I_B = 0, maka I_C = 0. Dan I_B < I_C < I_E.

Transistor sebagai amplifier arus

Dalam Aktiviti 5.8, perintang tapak ditukar (2.2 kΩ hingga 8.2 kΩ) untuk memperoleh nilai I_B dan I_C yang berbeza. Graf I_C melawan I_B ialah satu garis lurus melalui titik asalan dengan kecerunan positif. Ini membuktikan apabila I_B = 0 maka I_C = 0, dan semakin bertambah I_B, semakin bertambah I_C. Kecerunan graf ialah faktor penggandaan amplifier, β.

β = I_C / I_B (kecerunan graf I_C melawan I_B)

Graf IC melawan IB: garis lurus melalui asalan, IC = 78 mA apabila IB = 0.5 mA — Graf I_C melawan I_B (Rajah 5.16)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 190.

Daripada graf buku teks, kecerunan m = (78.0 − 0) / (0.5 − 0) = 156, maka β = 156. Perubahan arus tapak sebanyak 1 mA menghasilkan perubahan sebanyak 156 mA pada arus pengumpul. Pertambahan I_B yang kecil menghasilkan perubahan yang besar dalam I_C, maka transistor berfungsi sebagai amplifier arus.

Contoh

Dalam satu litar, I_B = 20 μA menghasilkan I_C = 2.1 mA (Praktis Sumatif 5). Hitung β dan I_C apabila I_B = 50 μA.

β = I_C / I_B = 2.1 mA / 0.020 mA = 105.

I_C = βI_B = 105 × 0.050 mA = 5.25 mA.

Tukarkan unit sebelum membahagi: μA dan mA berbeza faktor 1 000. β tiada unit.

Transistor sebagai suis automatik

Dalam litar bertransistor, arus tidak mengalir dalam litar pengumpul kecuali jika terdapat arus mengalir dalam litar tapak. Maka transistor boleh berfungsi sebagai suis yang menghidupkan atau mematikan arus tapak. Kaedah pembahagi voltan digunakan untuk mengawal arus tapak. Dua perintang, R₁ dan R₂, disambung secara bersiri dengan bekalan kuasa, V_masuk, supaya V_BE yang cukup besar diperoleh untuk menghidupkan transistor.

V_keluar = R₂ / (R₁ + R₂) × V_masuk

Pembahagi voltan dengan R1 dan R2 bersiri dengan bateri, voltan keluar merentasi R2 disambung ke tapak transistor — Pembahagi voltan (Rajah 5.17; dalam rajah, V_in = V_masuk dan V_out = V_keluar)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 190.

Suis	Penderia	Cara ia berfungsi
Suis kawalan cahaya (lampu jalan automatik)	Perintang peka cahaya (LDR): rintangan tinggi dalam keadaan gelap, rendah dalam keadaan cerah	Dalam gelap, rintangan LDR sangat tinggi, maka V_LDR meningkat. Apabila V_LDR melebihi V_BE minimum, I_B mengalir dan menghidupkan transistor; I_C yang tinggi mengalir dan mentol menyala. Dalam cerah, V_LDR kurang daripada V_BE minimum, maka tiada I_B dan mentol tidak menyala.
Penggera kawalan suhu	Termistor: rintangan tinggi pada suhu rendah (suhu bilik), menjadi rendah apabila suhu meningkat	Apabila suhu meningkat, rintangan termistor menjadi rendah dan voltan merentasi termistor berkurang, maka voltan merentasi perintang R, V_R, meningkat. Apabila V_R melebihi V_BE minimum, I_B mengalir, transistor dihidupkan, I_C yang tinggi mengalir dan mentol menyala atau loceng berbunyi.

Litar suis kawalan cahaya dengan perintang 10 kiloohm di atas LDR, perintang tapak 1 kiloohm, transistor npn, mentol dan bateri 6 V — Litar suis kawalan cahaya (Rajah 5.18)

Litar penggera kawalan suhu dengan termistor di atas perintang 10 kiloohm, perintang tapak 1 kiloohm, transistor npn, mentol dan bateri 6 V — Litar penggera kawalan suhu (Rajah 5.19)

Rajah daripada buku teks Fizik Tingkatan 5 KSSM, m.s. 191.

Tanya dua soalan: bahagian manakah penderia dalam pembahagi voltan (atas atau bawah), dan apakah yang berlaku kepada rintangannya apabila keadaan berubah? Voltan merentasi bahagian yang rintangannya lebih besar adalah lebih besar. Jika kedudukan penderia dan perintang ditukar, litar berfungsi secara songsang (contohnya termistor di bawah memberi penggera apabila suhu rendah).

Contoh

Litar suis kawalan cahaya (Rajah 5.18) menggunakan bekalan 6 V dan perintang R = 10 kΩ di atas LDR. Dalam gelap rintangan LDR ialah 100 kΩ; dalam cahaya terang 0.5 kΩ. Hitung V_LDR dalam kedua-dua keadaan jika V_BE minimum ialah 0.7 V.

Gelap: V_LDR = 100 / (10 + 100) × 6 = 5.45 V (> 0.7 V), maka transistor dihidupkan dan mentol menyala.

Terang: V_LDR = 0.5 / (10 + 0.5) × 6 = 0.29 V (< 0.7 V), maka I_B = 0 dan mentol tidak menyala.

Praktis Formatif 5.3 soalan 3 (m.s. 193)

Dalam Rajah 5.22 (bekalan 6 V, perintang R = 10 kΩ di bawah termistor), beza keupayaan merentasi XY, iaitu merentasi R, mestilah sekurang-kurangnya 5.5 V untuk menyalakan mentol 6 V, 60 mA. Cari rintangan termistor, R_T, apabila mentol itu menyala.

5.5 = 10 / (R_T + 10) × 6, maka R_T + 10 = 60 / 5.5 = 10.91 kΩ.

R_T = 0.91 kΩ (909 Ω). Mentol menyala apabila rintangan termistor 0.91 kΩ atau kurang.

Mengapakah perintang berintangan tinggi (contohnya 1 kΩ atau lebih) digunakan dalam litar tapak?

Tunjukkan jawapanSembunyikan jawapan

Untuk mengehadkan arus tapak I_B supaya transistor tidak menjadi panas dan terbakar.