Nota Fizik Tingkatan 5 Bab 5: Elektronik
Bab 5: Elektronik
Pancaran Termion, Diod & Transistor
5.1 Elektron & Pancaran Termion
Pancaran termion ialah pembebasan elektron dari permukaan logam yang dipanaskan. Elektron yang bergerak pada kelajuan tinggi dalam keadaan vakum dipanggil Sinar Katod.
Ciri-ciri Sinar Katod
- Bercas negatif (elektron).
- Bergerak dalam garis lurus.
- Terpesong oleh medan elektrik (ke arah plat positif).
- Terpesong oleh medan magnet (Petua Tangan Kiri Fleming).
Simulasi Tiub Vakum
Panaskan filamen (Katod) untuk membebaskan elektron ke arah Anod.
Filamen sejuk. Tiada elektron dibebaskan.
5.2 Diod Semikonduktor
Diod ialah komponen elektronik yang membenarkan arus elektrik mengalir dalam satu arah sahaja. Ia terbina daripada cantuman semikonduktor jenis-p dan jenis-n (Simpang p-n).
Rektifikasi (Penerusan)
Oleh sebab diod hanya membenarkan arus sehala, ia digunakan untuk menukar Arus Ulang-alik (a.u.) kepada Arus Terus (a.t.).
Simulasi Pincang Diod (Bias)
Tukar kekutuban bateri untuk melihat fungsi diod sebagai “injap sehala”.
5.3 Transistor
Transistor mempunyai 3 terminal: Tapak (Base, B), Pengumpul (Collector, C), dan Pengeluar (Emitter, E). Fungsi utamanya ialah sebagai Penguat Arus (Amplifier) dan Suis Automatik.
Fungsi Suis Automatik
Dalam litar suis, arus tapak ($I_B$) yang sangat kecil digunakan untuk menghidupkan arus pengumpul ($I_C$) yang jauh lebih besar.
Aplikasi: Suis Kawalan Cahaya
Menggunakan Perintang Peka Cahaya (LDR).
• Keadaan Gelap: Rintangan LDR tinggi → Voltan tapak ($V_B$) tinggi → Transistor dihidupkan (Lampu menyala).
• Keadaan Cerah: Rintangan LDR rendah → Voltan tapak ($V_B$) rendah → Transistor dimatikan.
Simulasi Litar Lampu Jalan Automatik (LDR)
(Output)
Koleksi Latihan
| 1 | 2 |
| 3 | 4 |
| 5 | 6 |
GLOSARI DIGITAL ELEKTRONIK
Pancaran Termion
Pemancaran elektron bebas daripada permukaan logam yang dipanaskan.
Sinar Katod
Alur elektron yang bergerak dengan kelajuan tinggi dalam vakum.
Diod Semikonduktor
Komponen yang membenarkan arus elektrik mengalir dalam satu arah tertentu sahaja.
Rektifikasi
Proses penukaran arus ulang-alik (a.u.) kepada arus terus (a.t.).
Anod / Katod
Anod: Terminal positif.
Katod: Terminal negatif.
Pincang Depan / Songsang
Sambungan diod yang membenarkan (Depan) atau menghalang (Songsang) arus mengalir.
Transistor
Komponen tiga terminal (E, B, C) yang berfungsi sebagai amplifier arus atau suis automatik.
E, B, C
Pengeluar (E): Bekal cas.
Tapak (B): Kawal arus.
Pengumpul (C): Terima cas.
Amplifier Arus
Pertambahan arus tapak ($I_B$) yang kecil menghasilkan perubahan besar dalam arus pengumpul ($I_C$).
Suis Automatik
Aplikasi transistor menggunakan komponen pengesan untuk menghidupkan litar secara automatik.
LDR
Perintang Peka Cahaya: Rintangan tinggi dalam gelap, rendah dalam cerah.
Termistor
Rintangan tinggi pada suhu rendah, rendah pada suhu tinggi.
Kapasitor
Menyimpan cas elektrik; berfungsi sebagai perata arus dalam litar rektifikasi.
Pembahagi Voltan
Litar menggunakan dua perintang secara bersiri untuk menghasilkan voltan output tertentu.
ZON ANALISIS KBAT: ELEKTRONIK
Berikut adalah analisis mendalam yang menguji pemikiran kritis dan aplikasi konsep elektronik dalam senario dunia nyata.
1. Pengubahsuaian Suis LDR
Bagaimanakah litar suis kawalan cahaya boleh diubah suai supaya mentol menyala dalam keadaan cerah dan padam dalam keadaan gelap? Berikan justifikasi berdasarkan konsep pembahagi voltan.
Tindakan: Tukar kedudukan Perintang Peka Cahaya (LDR) dengan perintang tetap ($R$).
Justifikasi Pembahagi Voltan:
- Dalam keadaan cerah, rintangan LDR rendah $\rightarrow$ voltan merentasi perintang tetap ($R$) di kedudukan bawah menjadi tinggi.
- Voltan tapak ($V_{BE}$) meningkat melebihi voltan minimum (0.7 V).
- Arus tapak ($I_B$) mengalir $\rightarrow$ Transistor dihidupkan $\rightarrow$ Arus pengumpul ($I_C$) mengalir $\rightarrow$ Mentol menyala.
2. Ralat Litar Rektifikasi
Jika diod $D1$ dalam rektifier gelombang penuh disongsangkan secara tidak sengaja, ramalkan bentuk gelombang output pada OSK.
Ramalan: Litar akan berfungsi sebagai rektifikasi gelombang separuh.
Huraian Teknis:
- Separuh Kitar Positif: $D1$ (pincang songsang) menghalang arus. Tiada output dihasilkan.
- Separuh Kitar Negatif: Arus mengalir melalui $D3$ dan $D4$ seperti biasa. Output dihasilkan.
- Hasil: Gelombang menunjukkan puncak bagi separuh kitar negatif sahaja dengan ruang kosong di antaranya.
3. Semikonduktor vs Tiub Vakum
Wajarkan mengapa komponen semikonduktor (diod/transistor) menjadi asas kepada peralatan elektronik moden berbanding teknologi tiub vakum.
Kelebihan Semikonduktor
- • Saiz mikro (mikrocip)
- • Penggunaan kuasa rendah
- • Kecekapan sistem tinggi
- • Tahan lasak (keadaan pepejal)
Kelemahan Tiub Vakum
- • Saiz besar & memakan ruang
- • Perlu pemanasan filamen
- • Hasilkan haba melampau
- • Rapuh (diperbuat daripada kaca)
4. Kegagalan Penggera Suhu
Jika mentol gagal menyala walaupun termistor dipanaskan, cadangkan dua kemungkinan punca kegagalan litar tersebut.
Voltan Tapak Tidak Mencapai Ambang: Rintangan perintang tetap ($R$) mungkin terlalu kecil berbanding termistor, menyebabkan $V_{BE}$ tidak mencapai 0.7 V walaupun rintangan termistor telah menurun.
Transistor Rosak/Terbakar: Transistor mungkin mengalami litar terbuka secara dalaman akibat arus berlebihan sebelum ini, menghalang arus pengumpul ($I_C$) daripada mengalir.
5. Halaju Elektron dalam Vakum
Jika beza keupayaan ($V$) dalam tiub sinar katod digandakan sebanyak empat kali, apakah kesannya terhadap halaju maksimum ($v_{maks}$) elektron?
Keputusan: Halaju maksimum menjadi dua kali ganda halaju asal.
$eV = \frac{1}{2} mv^2_{maks}$
Maka halaju: $v_{maks} = \sqrt{\frac{2eV}{m}}$
Hubungan: $v_{maks} \propto \sqrt{V}$
Jika $V’ = 4V$, maka halaju baharu: $v’ = \sqrt{4V} = 2\sqrt{V} = 2v_{maks}$.