Kezdőlap / Kidolgozott tételek / DEIK Mérnökinformatikus BSC 2017 / 12. tétel

12. Tétel — Az egyed-kapcsolat (ER) modell és félvezető eszközök, egyenirányítás

Frissítve: 2026-09-09

Ez a tétel két nagyobb témakört fed le: az egyed-kapcsolat (ER) modellt és a relációs adatmodellt, valamint a félvezető eszközöket, az egyenirányítást, a DC-DC átalakítókat és a feszültség-/áramstabilizálást.

Témák

I. Témakör: Az egyed-kapcsolat (ER) modell és a relációs adatmodell

• Az egyed-kapcsolat (ER) modell, tervezés ER diagramok segítségével.
• Relációs adatmodell, reláció, séma, attribútum.
• Relációs séma előállítása ER diagramból.

II. Témakör: Félvezető eszközök, egyenirányítás, DC-DC átalakítók és stabilizálás

• Diódák.
• Egyenirányítás.
• Egyenáramú (DC-DC) átalakítók.
• Feszültségstabilizálás.
• Áramstabilizálás.

I. Témakör: Az egyed-kapcsolat (ER) modell és a relációs adatmodell

1. Az Egyed-Kapcsolat (ER) modell

Az ER modell egy magas szintű, konceptuális adatmodell, amely lehetővé teszi, hogy a valóság releváns objektumait és a közöttük fennálló viszonyokat egy formális, grafikus diagram formájában ábrázoljuk. A célja, hogy egyértelmű és közérthető módon dokumentálja az adatbázisban tárolandó információk szerkezetét, még mielőtt a konkrét adatbázis-kezelő rendszer technikai részleteivel foglalkoznánk.

Az ER modell fő komponensei:

• Egyed (Entity): A valós világ egy jól megkülönböztethető objektuma vagy fogalma, amelyről adatokat kívánunk tárolni. Például egy könyvtári rendszerben egyed lehet a Könyv, a Tag vagy a Kölcsönzés.
• Attribútum (Attribute): Az egyed egy tulajdonsága, amely leírja azt. Például a Könyv egyed attribútumai lehetnek az ISBN-szám, a Cím, a Szerző és a Kiadás éve. Az attribútumokat oválisokkal jelöljük, és vonallal kötjük a hozzájuk tartozó egyedhez. Különbséget teszünk több típus között:
  • Egyszerű vs. Összetett: Az egyszerű attribútum tovább nem bontható (pl. Kiadás éve), míg az összetett több részből áll (pl. a Szerző attribútum felbontható Vezetéknévre és Keresztnévre).
  • Egyértékű vs. Többértékű: Az egyértékű attribútumnak egyetlen értéke lehet (pl. egy könyvnek egy ISBN-száma van), míg a többértékű több értéket is felvehet (pl. egy könyvnek több Szerzője is lehet). A többértékű attribútumot dupla oválissal jelöljük.
  • Kulcs attribútum: Az az attribútum(készlet), amely egyértelműen azonosítja az egyed egy példányát. Ezt aláhúzással jelöljük (pl. ISBN-szám).
• Kapcsolat (Relationship): Két vagy több egyed között fennálló logikai viszony. Például a Tag és a Könyv egyedek között a kikölcsönöz kapcsolat áll fenn. A kapcsolatokat rombusszal jelöljük, és vonalakkal kötjük össze a résztvevő egyedekkel. A kapcsolatok legfontosabb tulajdonságai:
  • Fokszám: A kapcsolatban részt vevő egyedhalmazok száma. Leggyakoribb a bináris (kétfokú) kapcsolat.
  • Kardinalitás: Azt adja meg, hogy az egyik egyedhalmaz egy példánya a másik egyedhalmaz hány példányával lehet kapcsolatban. A leggyakoribb kardinalitások:
    • 1:1 (egy-az-egyhez): Mindkét oldalon legfeljebb egy példány vehet részt a kapcsolatban. (Pl. Igazgató - vezeti - Iskola).
    • 1:N (egy-a-többhöz): Az egyik oldalon egy, a másikon több példány is részt vehet. (Pl. Szerző - ír - Könyv, feltéve, hogy egy könyvnek csak egy szerzője van).
    • N:M (több-a-többhöz): Mindkét oldalon tetszőleges számú példány lehet kapcsolatban. (Pl. Tag - kikölcsönöz - Könyv, hiszen egy tag több könyvet is kikölcsönözhet, és egy könyvet (több példányban) több tag is kikölcsönözhet).

2. A Relációs Adatmodell Alapfogalmai

Az E.F. Codd által 1970-ben megalkotott relációs modell matematikai halmazelméleten és elsőrendű predikátumkalkuluson alapul.

• Reláció: Egy kétdimenziós tábla, amely sorokból (rekordok, tupleök) és oszlopokból (attribútumok) áll. A könyvtári példában a Tag és a Könyv egyedekből Tag és Könyv nevű táblák lesznek.
• Relációs séma (Relation Schema): A teljes adatbázis szerkezetének leírása, amely magában foglalja a táblák (relációk) nevét, az oszlopaikat (attribútumokat) és az oszlopok közötti kapcsolatokat, kényszereket (pl. elsődleges és idegen kulcsok).
• Tuple (Sor / Rekord): A reláció egy sora, amely egyedi értékek rendezett halmaza.
• Attribútum (Oszlop): A tábla egy oszlopa, amely egy adott tulajdonságot ír le. Minden oszlopnak van egy neve és egy adattípusa (pl. szöveg, szám, dátum).

3. Relációs séma előállítása ER diagramból

Az ER diagramok alapján a logikai relációs séma automatikus vagy szisztematikus szabályok szerint állítható elő az alábbiak szerint:

1. Szabály: Erős egyedhalmazok leképezése

Minden erős egyedhalmazból egy önálló reláció (tábla) keletkezik.

• Az egyed attribútumai a reláció oszlopai lesznek.
• Az egyed kulcsattribútuma lesz a reláció elsődleges kulcsa (PK).

2. Szabály: 1:N kapcsolatok leképezése

Ha két egyedhalmaz között 1:N kapcsolat áll fenn:

• Megkeressük a kapcsolat N (több) oldalán lévő egyedből képzett táblát.
• Az 1 (egy) oldali egyed elsődleges kulcsát beillesztjük az N oldali táblába idegen kulcsként (FK).

3. Szabály: M:N kapcsolatok leképezése

Ha két egyedhalmaz között M:N kapcsolat van:

• A kapcsolatot önálló kapcsolótáblává (kapcsoló relációvá) alakítjuk.
• Ennek a táblának az elsődleges kulcsa a két kapcsolódó egyed elsődleges kulcsának összetétele (kompozit kulcs).
• Ha a kapcsolatnak magának is vannak attribútumai, azok is a kapcsolótábla oszlopai lesznek.

4. Szabály: 1:1 kapcsolatok leképezése

• Ha mindkét oldalon teljes részvétel van, a két egyedhalmaz összevonható egyetlen relációba.
• Ha részleges részvétel van, az egyik tábla kulcsát átvihetjük a másikba idegen kulcsként, vagy külön kapcsolótáblát hozhatunk létre.

5. Szabály: Gyenge egyedhalmazok leképezése

A gyenge egyedhalmaz (amelynek nincsen saját önálló kulcsa, csak a tulajdonos erős egyedhez kapcsolódva azonosítható) relációjának kulcsa a saját parciális kulcsa és a tulajdonos egyed elsődleges kulcsának kombinációja lesz.

II. Témakör: Félvezető eszközök, egyenirányítás, DC-DC átalakítók és stabilizálás

1. Diódák és Működési Elveik

A modern elektronika alapköve a dióda, amely egy kétpólusú félvezető eszköz. A leggyakoribb típusa a PN-átmeneten alapuló dióda. Működésének lényege, hogy az áramot ideális esetben csak az egyik irányban engedi át.

A p-n átmenet és az ideális vs. valós dióda:

• Idealizált modell: Az elméleti tárgyalás során gyakran egy tökéletes kapcsolóként modellezzük: nyitóirányban (amikor az anódra pozitívabb feszültség kerül a katódhoz képest) a belső ellenállása nulla, záróirányban pedig végtelen. Nincs feszültségesés, nincs szivárgási áram.
• Valós modell:
  • Nyitóirányú feszültségesés (Uf): A dióda csak egy bizonyos küszöbfeszültség (szilícium esetén kb. 0,6-0,7 V) elérése után kezd el vezetni. Ezen a feszültségen "nyit ki", és ez a feszültség esik rajta működés közben, ami teljesítménydisszipációt (hőfejlődést) okoz.
  • Záróirányú szivárgási áram (Ir): Záróirányú előfeszítés esetén sem végtelen az ellenállása; egy nagyon kicsi, de mérhető szivárgási áram folyik rajta keresztül.
  • Letörési feszültség: Ha a záróirányú feszültség meghalad egy kritikus értéket, a dióda átmenete "letörik", és megindul a vezetés, ami az eszköz tönkremeneteléhez vezethet.

2. Egyenirányítás (Rectification)

Az egyenirányítás célja a váltakozó feszültségű (AC) villamos energia átalakítása egyenáramúvá (DC).

Félhullámú (egyutas) egyenirányítás

• Működés: A legegyszerűbb kapcsolás, amely egyetlen diódát használ sorba kapcsolva.
• Jellemzők: Csak a váltakozó feszültség egyik félperiódusát (a dióda bekötésétől függően a pozitív vagy a negatív félhullámot) engedi át, a másikat teljesen "levágja".
• Hátrány: Hatásfoka alacsony, a kimeneti jel erősen lüktető (pulzáló) egyenfeszültség, amelyet nehéz sima egyenárammá szűrni.

Kétutas középleágazásos egyenirányítás

• Működés: Két diódát és egy középleágazásos transzformátort használ.
• Jellemzők: A váltakozó feszültség mindkét félhullámát hasznosítja.
• Hátrány: A transzformátor tekercselése lényegesen bonyolultabb és költségesebb.

Kétutas hídkapcsolás (Graetz-híd)

• Működés: Négy diódából álló hídkapcsolás.
• Jellemzők: A váltakozó feszültség mindkét félhullámát azonos irányú árammá alakítja (a negatív félhullámot "felhajtja" a pozitív tartományba).
• Előny: Ez a legelterjedtebb ipari és háztartási megoldás, mivel jobb hatásfokot biztosít, mint az egyutas egyenirányítás.

Pufferelés és szűrés (Pufferkondenzátor)

• Működés: Az egyenirányító kimenetére párhuzamosan kapcsolt nagy kapacitású kondenzátor (puffer- vagy szűrőkondenzátor).
• Jellemzők: Célja a lüktetés (hullámosság) csökkentése. A feszültségcsúcsok alatt feltöltődik a maximális értékre, a feszültségvölgyek idején pedig kisül a terhelés felé, így "kitölti" a hullámvölgyeket, és simább kimeneti DC feszültséget eredményez.

3. Egyenáramú (DC-DC) átalakítók

A modern energiagazdálkodásban a fix vagy változó DC feszültséget más szintű DC feszültséggé kell átalakítani veszteségmentesen. Ezt kapcsolóüzemű átalakítókkal (SMPS - Switch-Mode Power Supplies) valósítják meg félvezető kapcsolóelemek és energiatároló elemek segítségével.

Típusai:

• Csökkentő (Buck / Step-Down) átalakító: A kimeneti feszültség alacsonyabb, mint a bemeneti feszültség. A kapcsoló gyors ki-be kapcsolásával és a fojtótekercs áramának simításával érik el a kívánt feszültségszintet a kitöltési tényező szabályozásával.
• Növelő (Boost / Step-Up) átalakító: A kimeneti feszültség magasabb, mint a bemeneti feszültség. A tekercsben feltöltött mágneses energiát kapcsoláskor sorba kapcsolják a bemeneti feszültséggel, így magasabb feszültséget generálva.
• Megfordító / Növelő-csökkentő (Buck-Boost) átalakító: Képes a bemeneti feszültségnél alacsonyabb vagy magasabb kimeneti feszültséget is előállítani, miközben a kimeneti polaritást megfordíthatja.

4. Feszültségstabilizálás

A feszültségstabilizátorok feladata, hogy a bemeneti feszültség ingadozásait, valamint a terhelőáram változásait ellensúlyozva stabil, állandó kimeneti feszültséget biztosítsanak.

• Paraméteres feszültségstabilizálás (Zener-stabilizátor): Egyszerű, nyílt láncú megoldás egy Zener-diódából és egy előtétellenállásból áll. Ha a bemeneti feszültség nő, a Zener-diódán folyó áram úgy változik, hogy a kimeneti feszültség közel állandó marad. Hátránya a rossz hatásfok és a kis terhelhetőség.
• Kompenzációs (Visszacsatolt / Aktív) feszültségstabilizátorok: Zárt szabályozási körön alapulnak. Egy referenciafeszültséget hasonlítanak össze a kimeneti feszültség leosztott értékével, és a hiba alapján egy soros tranzisztor (vagy integrált szabályzó IC, pl. LM7805) vezérlésével kompenzálják a változásokat.

5. Áramstabilizálás

Az áramstabilizátorok (vagy konstans áramforrások) célja, hogy a terhelési ellenállás változásától függetlenül szigorúan állandó áramot biztosítsanak a kimeneten (pl. nagy teljesítményű LED-ek meghajtásánál, akkumulátortöltőknél).