Inleiding tot de Elektrotechniek Academiejaar 2007-2008 Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Doel en situering Doelstellingen en eindcompetenties Voorkennis enige vaardigheid ontwikkelen in de analyse van eenvoudige elektrische netwerken, zowel in gelijkstroomregime als in sinusregime netwerken bouwen als prototypeschakeling, en met de courante apparatuur deze schakeling kunnen bemeten. inzien hoe men uit elementaire elektronische componenten kan komen tot de complexe bouwblokken van moderne computersystemen. inzicht verwerven in het statisch en dynamisch gedrag van lineaire elektronische componenten en van de MOSFET en de gevolgen daarvan begrijpen m.b.t. eigenschappen zoals vertraging van interconnecties en vermogenverbruik in computers. inzicht verwerven in de waarneembare eigenschappen en beperkingen van processors en commerciële interconnectiesystemen. Voorkennis basiskennis van wiskunde (algebra en lineaire differentiaalvergelijkingen) en natuurkunde (elektriciteit) vertrouwdheid met Maple. Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Feiten en data Lestijden Oefeningen & practica Evaluaties Maandag 10:00 -- 11:15 Oefeningen & practica Maandag 11:30 -- 12:45 Aard: Oefeningen op de computer in PCklas Practica in practicumzaal ELIS Evaluaties combinatie van jaarwerk (+/- 1/3) en examen (+/- 2/3) jaarwerk: practicumverslagen + ondervragingen examen mondeling, gesloten boek Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Inhoud (1) Fysische grondslagen van de elektrotechniek Elektrostatica Het stationair magneetveld Elektromagnetische inductie De basiswetten van het elektromagnetisme Elektrische Netwerken Passieve versus actieve netwerkelementen Lineaire versus niet-lineaire bouwstenen Passieve bouwstenen Actieve bouwstenen Netwerkopbouw Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Inhoud (2) Netwerkanalyse Signalen als dragers van informatie Het doel van netwerkanalyse Manuele analysetechnieken Systematische methoden Netwerken met spoelen en condensatoren Lineaire netwerken in sinusregime Signalen als dragers van informatie Analoge versus digitale informatierepresentatie Het tijd- en frequentiedomein Een afweging van analoge en digitale representaties Conclusie Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Inhoud (3) Digitale Technologie Logische Schakelingen Interconnectie Basiscomponenten in CMOS Logische schakelingen Het VLSI-proces Logische Schakelingen Combinatorisch versus sequentieel gedrag Boole-algebra's en Boolese functies Combinatorische netwerken Sequentiële netwerken Interconnectie Punt-tot-punt verbindingen Meerpuntconnecties en bussen Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Inhoud (1) Fysische grondslagen van de elektrotechniek Elektrostatica Het stationair magneetveld Elektromagnetische inductie De basiswetten van het elektromagnetisme Elektrische Netwerken Passieve versus actieve netwerkelementen Lineaire versus niet-lineaire bouwstene} Passieve bouwstenen Actieve bouwstenen Netwerkopbouw Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Elektrostatica F -F Lading is fundamentele eigenschap van materie Komt voor als geheel veelvoud van de eenheidslading q = 1.6 x 10-19 C Is oorzaak van fundamentele kracht: elektromagnetische kracht Kracht is vectorgrootheid Kan voorgesteld worden door elektrostatisch veld E q2 F q1 -F Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Elektrostatica dx F Verplaatsen van een lading in een elektrostatisch veld gaat gepaard met energie-uitwisseling Louter bepaald door begin-en eindpositie, niet door parcours; Gesloten curve: altijd 0! Potentiaal op plaats r = energie nodig om eenheidslading van oneindig ver naar r te brengen Definieert een scalaire functie V(r) Voor een positieve eenheidslading in r = 0 wordt V(r) gegeven door Is bolsymmetrisch Is 0 op oneindig - E Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Elektrostatica: verband tussen veld en potentiaal Het potentiaalverschil tussen twee plaatsen wordt gegeven door de lijnintegraal van het veld Hieruit: het veld wijst naar de plaatsen met lagere potentiaal: E = - grad V In 1 dimensie: C V(r1) r1 E dr E r2 V(r2) Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Atoombouw: het gedrag van elektronen rond de kern Atoomkern positief geladen (proton = +q) Evenveel elektronen als protonen Elektronen bewegen in orbitalen rond de kern: ruimtelijke gebieden waar elektronen kunnen voorkomen Vorm en afmeting van orbitaal afhankelijk van quantumgetallen Hoogstens twee elektronen per orbitaal (verbodsregel van Pauli) Buitenste orbitalen bevatten valentie-elektronen die chemische binding bepalen Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Vaste-stoffysica: meeratomige moleculen Moleculen zijn verbindingen van atomen Verbindingen komen tot stand via valentie-elektronen Hun orbitalen combineren tot moleculaire orbitalen Sommige moleculaire orbitalen spreiden zich uit over hele molecule Energieniveaus moeten splitsen (Pauli) Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Vaste-stoffysica: grotere moleculen, vaste stof Ideale vaste stof = kristal = heel grote molecule Valentielektronen die covalente binding vormen niet gelokaliseerd aan atomen Ontstaan van heel veel energieniveaus dicht bij elkaar Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Vaste-stoffysica: kristalstructuur van silicium Densiteit atomen: 5·1022 cm-3 Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Vaste-stoffysica: het ontstaan van banden Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Vaste-stoffysica: metalen, isolatoren en halfgeleiders Elektrische eigenschappen van stoffen bepaald door onderlinge ligging van valentie- en conductieband Isolatoren: sterk gescheiden banden (> 4 eV) Metalen: overlappende banden Halfgeleiders: zwak gescheiden banden (0,6 -- 2,0 eV) Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Vaste-stoffysica: belangrijke halfgeleiders Si: Eg = 1,1 eV Ge: Eg = 0,66 eV GaAs: Eg = 1,42 eV CdSe Eg = 1,7 eV Diamant: Eg = 5,47 eV Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Vaste-stoffysica: stroomgeleiding in vaste stof Elektronen krijgen systematische eenparige snelheidscomponente door elektrisch veld: snelheid = mobiliteit x veld Heel frequente botsingen met kristalrooster doen Joulewarmte ontstaan: elektronen staan energie af aan rooster Vrije weglengte: enkele nm E Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Vaste-stoffysica: weerstand en stroomgeleiding Systematische eenparige snelheidscomponente van elektronen en elektronendensiteit bepalen weerstand E = (V1 – V2)/l l A V2 I V1 Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Magnetisch veld Stroom (= geordende beweging van lading) wekt een ander soort veld op: magneetveld Rechte stroomvoerende geleider door oorsprong: Is vectorveld met fundamenteel andere eigenschappen dan E-veld (geen magnetische lading). Kringintegraal van B is evenredig met omsloten stroom => geen potentiaalveld! Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Magnetisch veld: Lorentz-kracht Bewegende ladingen ondervinden kracht loodrecht op bewegingsrichting (Lorentzkracht) Geldt ook voor ladingen die bewegen in vaste stof (geleiders, halfgeleiders) Principe van elektrische motoren Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Magnetisch veld: inductie Verandering van magnetische flux induceert spanning in gesloten kring Wanneer geïnduceerde spanning stroom opwekt, werkt de stroom de verandering van B tegen Effect zowel bij bewegende lus in inhomogeen veld als veranderende B is stilstaande lus Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen

Samenvatting: wetten van Maxwell Wetten van Maxwell beschrijven gedrag van elektrisch en magnetisch veld en hun interacties Twee vormen: differentiaal en integraal E W V r ds B ds S dr E C Inleiding tot de Elektrotechniek – J. Van Campenhout – 2007-2008 Faculteit Ingenieurswetenschappen