spm tingkatan 5 fizik - elektronik

Elektronik4.1 Penggunaan Osiloskop Sinar Katod (OSK)

4.2 Diod semikonduktor4.3 Transistor4.4 Get Logik

4.1 – PENGGUNAAN OSILOSKOP SINAR KATOD (O.S.K.)

Pancaran termion (Thermionic emission)

• Def: Proses pembebasan elektron dari permukaan logam yg dipanaskan.

• Bahan logam mengandungi elektron yg bebas bergerak tetapi tidak dibenarkan keluar dari permukaannya.

• Apabila logam dipanaskan pada suhu tinggi, sebahagian elektron memperolehi cukup tenaga utk terbebas dari permukaan logam.

• Faktor meninggikan kadar pancaran termion:– Suhu (kadar __________ apabila suhu __________)– Luas permukaan logam (kadar ___________ apabila luas

permukaan _____________)

Sinar katod (Cathode ray)

• Def: Satu alur elektron halus yg bergerak dengan halaju (velocity) tinggi dari katod ke anod.

• Pancaran termion yg terhasil pada filamen yg dipanaskan blh menjadi sinar katod dgn mewujudkan satu beza keupayaan (potential difference) yg tinggi antara katod dgn anod melalui Voltan Lampau Tinggi (V.L.T).

• Elektro yg bercas –ve ditarik ke arah anod yg bercas +ve dgn halaju yg tinggi dalam ruang vakum.

• Apabila sinar katod menghentam skrin pendarfluor, tompok cahaya terhasil disebabkan tenaga kinetik elekton bertukar kepada tenaga cahaya.

Ciri-ciri sinar katod

1. Sinar katod terdiri daripada zarah-zarah bercas –ve yg berhalaju tinggi.

2. Bergerak mengikut garis lurus.3. Boleh dipesongkan (diversion) oleh medan

elektrik.4. Boleh dipesongkan oleh medan magnet.

Mengkaji ciri sinar katod melalui tiub pemesongan.

• .

Mengkaji ciri sinar katod melalui Tiub Palang Maltese

• .

1. Apabila voltan 6V dihidupkan, bayang palang tajam pada skrin pendarfluor terbentuk. Bayang ini terhasil daripada cahaya filamen.

2. Apabila kedua-dua coltan 6V dan VLT dihidupkan, suatu bayang yg bertintih dan bercahaya hijau diperhatikan di atas skrin pendarfluor.

3. Cahaya hijau ini dihasilkan oleh perlangguran elektron dengan skrin pendarfluor. Tenaga ___________ elektron bertukar kepada tenaga ___________.

4. Apabila magnet didekatkan, bayang skrin akan dipesongkan.

5. Arah pesongan bayang palang maltese dapat ditentukan dengan menggunakan petua tangan kiri Fleming.

Contoh:• Lukis kedudukan bayang

palang maltese apabila dua magnet didekatkan seperti berikut.

Osiloskop sinar katod (OSK)• Suatu alat menguji & alat pengukur.• Menggunakan tiud sinar katod yg menukarkan isyarat

elektrik dan elektronik kpd paparan visual yg boleh dianalisis.

• Skrin OSK dapat memaparkan bentuk gelombong bunyi & bentuk gelombong arus elektrik.

• Dua paksi pada skrin:– Paksi menegak (axis y): mengukur sesaran (amplitud

gelombong) & nilai coltan elektrik– Paksi mengufuk (axis x): mengukur masa atau tempog bagi

suatu gelombong

Prinsip kerja osiloskop sinar katod (OSK)

• Berdasarkan prinsip pemesongan alur elektron oleh medan elektrik.

• OSK ialah satu tiub kaca vakum yg mengandungi 3 bahagian utama:– Sanapang elekton (Electron gun)– Sistem pemesongan – Skrin pendarfluor

OSK

• .

Komponen senapang elektron & fungsinya

• .

Sistem pemesongan & fungsinya• Plat-Y: Mengawal pesongan alur elektron secara

menegak (ke atas atau ke bawah)

Apabila tiada voltan dikenakan, tompok cahaya tidak dipesongkan.

• .

Apabila voltan a.t. (plat +ve di atas, plat –ve di bawah), tompok cahaya dipesong ke atas.

Apabila voltan a.u. dikenakan, satu garis surih mencancang dihasilkan.

• .

Apabila voltan a.t. (plat –ve di atas, plat + di bawah), tompok cahata dipesongkan ke baway

• Plat-X: Mengawal pesongan alur elektron secara mengufuk (ke kiri atau kanan).

Voltan a.t. dikenakan merentasi plat-X sahaja, tompok cahaya dipesongkan secara mengufuk ke arah positif.

Voltan a.u. dikenakan merentasi plat-X & plat-Y, surihan gelombang dipaparkan pada skrin.

Skrin pendarfluor & fungsinya

• Bahagian dalam skrin disaluti dengan bahan pendarfluor (zink sulfida).

• Ia berfungsi utk memaparkan isyarat elektrik dlm bentuk visual.

• Apabila alur elektron melanggar skrin, satu tompok cahaya terhasil.

• Tenaga kinetik elektron tukar kepada tenaga cahaya pada skrin.

OSK

****Mengukur voltan bagi arus terus (a.t.)

• Voltan, V = [skala pada gandaan-Y] x [ pesongan menegak daripada pusat skrin]

Kira nilai voltan pada sel kering yg ditunjukkan pada OSK.[Skala gandaan – Y = 0.5 V/cm]

Penyelesaian:

Tentukan nilai voltan a.t. yang ditunjukkan pada OSK apabilaGandaan-Y = 1 V/cm dan kawalan dasar-masa dihidupkan.

Penyelesaian:

****Mengukur voltan bagi arus ulang-alik (a.u.)

• Voltan puncak, VP = [Skala pada gandaan-Y] x [(1/2)(panjang surihan garis tegak)]

• Voltan puncak ke puncak, VPP = 2 x VP

• Voltan punca min kuasa dua, VPMKD = VP/√2

Contoh 1

Bekalan arus ulang-alik disambung kepada OSK dan paparan isyarat arus ulang-alik ditunjukkan dalam rajah di bawah.Skala gandaan-Y = 1 V/cm

Tentukan:(a) Voltan puncak(b) Voltan puncak ke puncak(c) Voltan punca min kuasa dua

Contoh 2

Skala gandaan-Y = 1.5 V/cm

Tentukan:(a) Voltan puncak(b) Voltan puncak ke puncak(c) Voltan punca min kuasa dua

****Mengukur tempoh, T dan frekuesi, f bagi satu gelombang

• Untuk mengukur frekuesi gelombang, kawalan dasar-masa harus dihidupkan dan skala sadar-masa diketahui.

• Tempoh, T = [skala dasar-masa] x [jarak antara dua fasa yg sama berturutan]

• Frekuensi, f = 1/T

Contoh 1

Tentukan nilai tempoh dan frekuensi bagi gelombang bunyi yg dipamerkan pada skrin OSK di bawah.Skala dasar-masa = 0.05 s/cm

Contoh 2

• Skala dasar-masa = 2 ms/cm

****Mengukur sela masa, t yang singkat

• Sela masa, t = [skala dasar-masa] x [jarak antara dua denyut berturutan]

Skala dasar-masa = 0.15 s/cmApakah sela masa antara dua bunyi tepukan tangan yg dikesan menggunakan OSK?

4.2 - DIOD SEMIKONDUKTOR

Semikonduktor• Def: Bahan yg menpunyai rintangan elektrik di antara konduktor dan

penebat (insulator).

• Contoh: Silikon dan germanium

• Sifat kekonduksian elektrik bahan semikonduktor bergantung kepada suhu:– Pada suhu mutlak (0K), semikonduktor tulen bertindak sebagai penebat

tiada elektron bebas– Pada suhu bilik, elektron memperolehi tenaga drp getaran kekisi atom dan

terbebas drp ikatan atom. Elektron bebas meningkatkan kekonduksian electrik bahan semikonduktor. hanya mengkonduksikan arus kecil.

Elektron & Lohong

• Pengaliran arus • Elektron: bercas –ve• Lohong: bercas +ve

• Lohong ialah kekosongan yg terhasil apabila elektron valens meninggalkan sesuatu atom. Ia boleh menarik elektron valens yg berhampiran utk mengisi kekosongan.

• Semasa elektron valens mengisi kekonsongan pada satu arah tertentu, lohong seolah-olah bergerak pada arah yg bertentangan.

Mekanisme pergerakan elektron valens & lohong

• .

Faktor menambah kekonduksian elektrik bahan semikonduktor

1. Suhu yg bertambah2. Cahaya dikenakan ke atasnya3. Proses pendopan

Pendopan

• Proses penambahan sejumlah kecil atom asing (bendasing) ke atas semikonduktor tulen untuk meningkatkan kekonduksian elektriknya.

• Dua jenis semikonduktor yg terhasil drp proses pendopan:– Semikonduktor jenis-n– Semikonduktor jenis-p

Semikonduktor jenis-n• Apabila atom dari unsur pentavalens

(fosforus, arsenik, antimoni) didopkan dalam bahan semikonduktor tulen yg mempunyai 4 elektron valens.

• Atom pentavalens mempunyai 5 elektron valens.

• Jadi, wujudlah satu elektron berlebihan.• Atom pentavalens merupakan atom

penderma.• Semikonduktor yg terhasil ini

mempunyai elektron sebagai pembawa cas majoriti.

• Elekton cas negatif N

Semikonduktor jenis-p• Apabila atom dari unsur trivalens (indium,

boron, galium) didopkan dalam bahan semikonduktor tulen yg mempunyai 4 elektron valens, wujudlah satu kekurangan elektron.

• Kekosongan ini diisi oleh elektron bebas yg berjiranan. Pada masa yg sama, lohong terhasil akibat peningglan elektron valens.

• Atom trivalens merupakan atom penerima.

• Semikonduktor yg terhasil ini mempunyai lohong sabagai pembawa cas majoriti.

• Lohong cas positif P

Diod semikonduktor• Def: Komponen elektronik yg

membenarkan arus elektrik mengalir dalam SATU ARAH sahaja.

• Dihasilkan dgn mencantumkan semikonduktor jenis-n dgn semikonduktor jenis-p.

• Anod: bahagian semikonduktor jenis-p

• Katod: bahagian semikonduktor jenis-n

Apabila kedua-dua jenis semikonduktor dicantumkan, sebahagian elektron dari bahan jenis-n akan merentasi simpang ke bahan jenis-p untuk mengisi lohong di situ.

Satu lapisan susutan yg tiada pembawa cas terbentuk berhampiran dgn simpang.

Lapisan susutan di sisi jenis-n bercas +ve manakala di sis jenis-p bercas –ve.

Ini menghasilkan suatu voltan simpang yg menghentikan pembawa cas dan menghalang arus merentasi simpang.

• Voltan simpang bagi germanium (0.1 V) dan silikon (0.6V).

• Untuk wujudnya pengaliran arus, voltan yg melebihi voltan simpang perlu dikenakan utk merentasi simpang.

Pengaliran arus dalam diod semikonduktor

• Pincang ke depan (forward bias)• Pincang songsang (reverse bias)

Pincang ke depan:Hujung anod disambungkan ke terminal +ve sel kering & hujun katod disambung ke terminal –ve sel kering.Mentol M bernyala.

Pincang songsang:Hujung anod disambung ke terminal _________ sel kering & hujung katod disambung ke terminal __________ sel kering.Mentol M ___________________.

Pincang ke depan (Forward bias)

• Pengaliran arus yg besar akan mengalir melalui diod jika baze keupayaan (voltan) yg dibekalkan oleh sel kering lebih ___________ drp voltan simpangan dan menyebabkan mentol ______________.

• Lapisan susutan menjadi semakin __________ dan rintangan semikonduktor menjadi _____________.

Pincang songsang (Reverse bias)

• Pengaliran arus yg kecil melalui diod menyebabkan mentol ___________________.

• Elektron-elektron ______________ kpd terminal ___________, manakala lohong-lohong ditarik kpd terminal ______________.

• Penarikan pembawa-pembawa cas menjauhkan lohong dan elektron drp simpang p-n.

• Ini menyebabkan lapisan susutan semakin ___________.• Rintangan menjadi semakin _____________.• Oleh itu, pengaliran arus tdk berlaku.

Diod sebagai rektifier• Rektifikasi: Proses penukaran arus ulang-alik kpd arus terus.• Dua jenis rektifikasi:– Rektifikasi gelombang setengah– Rektifikasi gelombang penuh

• Arus ulang-alik ialah arus yg sentiasa mengubah arah pengaliran.

• Satu kitar a.u. dibahagikan kpd 2 separuh kitar:– Separuh kitar +ve– Separuh kitar –ve

Rektifikasi separuh gelombang

• Satu diod digunakan.

• Ketika separuh kitar +ve, diod berada dlm keadaan pincang ke depan & arus boleh mengalir melalui diod.

• Ketika separuh kitar –ve, diod berada dlm keadaan pincang ____________ & arus _____________ mengalir menerusi diod.

• Oleh itu, diod hanya mengalirkan arus utk separuk kitar sahaja.

Rektifikasi gelombang penuh

• 2 atau 4 diod digunakan.

• Ketika separuh kitar +ve (voltan pd terminal X ialah +ve), arus mengalir melalui diod D1, AB, diod D2 dan kembali ke terminal Y.

• Ketika separuh kitar –ve (voltan pd terminal Y ialah +ve), arus akan mengalir melalui diod D3, AB, diod D4 dan kembali ke terminal X.

• Maka dalam kedua-dua kitar +ve & -ve ini, arus mengalir melalui perintang R dalam arah yg SAMA, iaitu dari A ke B.

Kapasitor sebagai Perata Arus

• Biasanya disambung secara selari dgn perintang dlm suatu litar rektifier.

• Tujuan: menghasilkan voltan output yg lebih rata & mantap.

• Ketika separuh kitar positif, diod dipincang ke depan.

• Arus mengalir melalui diod. Arus ini bertambah kepada nilai maksimum kemudian berkurang kepada sifar.

• Arus mengalir melalui kapasitor dan perintang.• Kapasitor dicaskan dan tenaga elektrik disimpan di

dalamnya.

• Ketika separuh kitar negatif, diod dipincang songsang.

• Arus tidak dibenarkan melalui diod, maka tiada arus mengalir melalui kapasitor dan perintang.

• Kapasitor menyahcas dan tenaga elektrik yg tersimpan dibebaskan utk mengekalkan voltan yg merentasi perintang ini.

4.3 - TRANSISTOR

Transistor

• Def: Suatu peranti electronik yg diperbuat drp cantuman satu lapisan semikonduktor nipis di antara 2 lapisan semikonduktor jenis yg berlainan.

• 2 jenis:– Transistor npn– Transistor pnp

• Suatu transistor mempunyai 3 terminal:– Tapak (base)– Pengumpul (collector)– Pengeluar (emitter)

• Anak panah pada simbol transistor menunjukkan arah pengaliran arus.

Terminal FungsiMembekalkan pembawa-pambawa cas kepada pengumpul, CMenerima pembawa cas daripada pengeluar, EMemgawal pengaliran pembawa-pembawa cas daripada pengeluar ke pengumpul.

Mekanisme pengaliran pembawa cas dalam transistor

• Transistor mesti disambung kpd terminal bateri yg betul.

Transistor npn:Pengumpul, C (-ve) terminal +vePengeluar, E (+ve) terminal -ve

Transistor pnp:Pengumpul, C (+ve) terminal –vePengeluar , E (-ve) terminal +ve

Prinsip transistor

1. Arus tapak, IB, adalah lebih kecil drp arus pengumpul, IC. Arus pengeluar, IE, adalah hasil tambah IB+IC.

Ib< IC < IE IE = IB + IC

2. Jika IB = 0 , maka IC = 03. Perubahan kecil dalam IB akan menghasilkan perubahan yg besar kepada IC.

Kegunaan transistor

1. Amplifier2. Sius automatik

Transistor sebagai Amplifier arus

• Digunakan sebagai amplifier utk menguatkan isyarat2 yg lemah supaya menghasilkan output yg kuat/besar.

• Contoh:

• Apabila bunyi sampai ke mikrofon, tenaga bunyi menyebabkan diafragma mikrofon bergetar dan satu arus ulang-alik dihasilkan.

• Arus itu menyebabkan perubahan kpd IB.

• Perubahan yg kecil dalam IB menyebabkan perubahan yg besar dlm IC.

• Arus kemudian mengalir ke pembesar suara dan ditukarkan kpd gelombang bunyi yg berFREKUENSI sama dgn gelombang bunyi asal tetapi dgn AMPLITUDE yg tinggi.

• Output pada pembesar suara >>> Input pada mikrofon

• Gandaan arus oleh transistor = IC/IB

Transistor sebagai suis automatik

• Untuk menghidupkan atau mematikan suis atau alat elektrik (lampu).

• Tindakan kawalan automatik dihasilkan dengan menggunakan pembahagi voltan.

• Formula utk menyelesaikan masalah melibatkan pembahagi voltan:

• Jika perintang boleh ubah, R2 = 0 Ω , V2 = 0 dan transistor tidak dihidupkan.

• Jika R2 dinaikkan, V2 akan bertambah juga.

• Apabila V2 mencapai satu nilai minimum tertentu, IB akan bertindak menghidupkan transistor.

• Arus pengumpul, IC yg besar akan mengalir dan menyalakan mentol.

Perintang peka cahaya (PPC)

• PPC ialah perintang yg nilai rintangannya berubah dgn keamatan cahaya.– Dalam keadaan gelap, rintangannya adalah tinggi

(1MΩ)– Dalam keadaan cerah, rintangannya adalah rendah

(100Ω)

• Dalam keadaan terang, rintangan PPC adalah rendah, maka voltan merentasi PPC berkurang. Keadaan ini mengurangkan arus tapak, Ib. Arus pengumpul, Ic juga berkurang dan lampu L tidak menyala.

• Dalam keadaan gelap, rintangan PPC adalah ________; voltan merentasi PPC ___________. Ini menambahkan Ib. Ic juga bertambah dan lampu L _______________.

Perintang peka haba (Termistor)

• Rintangan dipengaruhi oleh perubahan suhu sekelilingnya.– Dalam keadaan suhu tinggi, rintangannya rendah.– Dalam keadaan suhu rendah, rintangannya

bertambah.

• Dalam keadaan suhu rendah/suhu bilik, rintangan termistor lebih tinggi drp rintangan, R; Voltan tapak, Vb adalah rendah. Ini mengurangkan arus tapak, Ib. Ic juga berkurang, suis geganti tidak berfungsi utk menghidupkan penggera.

• Dalam keadaan suhu tinggi, rintangan termistor lebih rendah drp R; Vb adalah tinggi. Ini menambahkan Ib. Ic juga bertambah, suis geganti akan berfungsi dan penggera dihidupkan.

Formula

Latihan (transistor)

4.4 – GET LOGIK

Get logik

• Mempunyai satu atau lebih input tetapi hanya memghasilkan SATU OUTPUT sahaja.

• Input ialah syaray-syarat yg telah ditetapkan utk sesuatu litar elektronik berfungsi secara automatik.

• Logik output “1” bermaksud litar elektrik dalam keadan “ON”.

• “0” bermaksud “OFF”.• Gunakan jadual kebenaran (truth table) untuk

meyelesaikan soalan get logik.

Jenis-jenis get logik

• Get DAN• Get ATAU• Get TAK• Get TAKDAN• Get TAKATAU

Get DAN

Get ATAU

Get TAK

Get TAKDAN (tak + dan)

Get TAKATAU (tak + atau)

Kombinasi get logik Soalan 1

Soalan 2

Soalan 3

Soalan 4

Formula list