1

EELLEEKKTTRROONNIIKKAA

11

MMggrr.. JJIIŘŘÍÍ NNEEUUMMAANN

UUČČEEBBNNÍÍ TTEEXXTTYY

PPRROO VVÝÝUUKKUU EELLEEKKTTRROOTTEECCHHNNIICCKKÝÝCCHH OOBBOORRŮŮ

2

Obsah 1 Elektronický obvod ................................................................................................................. 3 2 Pasivní obvodové součástky .................................................................................................. 10

2.1 Rezistory ......................................................................................................................... 10

2.1.1 Parametry rezistorů.................................................................................................. 11 2.1.2 Značení rezistorů ..................................................................................................... 12

2.1.3 Vlastnosti rezistorů .................................................................................................. 13 2.2 Potenciometry ................................................................................................................. 14 2.3 Odporové trimry ............................................................................................................. 15

2.4 Kondenzátory ................................................................................................................. 15 2.4.1 Konstrukce kondenzátorů ........................................................................................ 16

2.4.2 Druhy kondenzátorů ................................................................................................ 17 2.4.3 Značení kondenzátorů ............................................................................................. 19 2.4.4 Vlastnosti kondenzátorů .......................................................................................... 19

2.5 Cívky .............................................................................................................................. 21 2.5.1 Energie magnetického pole cívky ............................................................................... 22

2.5.2 Provedení cívek ........................................................................................................... 22 2.5.3 Výpočet indukčnosti cívek ...................................................................................... 23

2.6 Transformátory ............................................................................................................... 24

3 Polovodiče ............................................................................................................................. 25 3.1Polovodičová dioda (přechod PN)................................................................................... 27

3.1.1 Druhy diod ............................................................................................................... 28 3.2 Tranzistory...................................................................................................................... 32

3.2.1 Bipolární tranzistory ................................................................................................ 33

3.2.2 Unipolární tranzistory.............................................................................................. 35 4.Spínací prvky, tyristor, triak, diak ......................................................................................... 37

4.1 Tyristor ........................................................................................................................... 37 4.3 Diak ................................................................................................................................ 39

5 Součástky řízené neelektrickými veličinami ......................................................................... 40

5.1 Součástky řízené teplem ................................................................................................. 40 5.1.1 Termistor (NTC termistor) ...................................................................................... 40

5.1.2 Pozistor (PTC termistor).............................................................................................. 40 5.2 Součástky řízené světlem ............................................................................................... 41

5.2.1 Fotorezistor .............................................................................................................. 41

5.2.2 Fotodioda ................................................................................................................. 41 5.2.3 Fototranzistor........................................................................................................... 42

5.2.4 Fototyristor .............................................................................................................. 42 5.2.5 Optron ...................................................................................................................... 43

5.3 Součástky řízené magnetickým polem ........................................................................... 43

5.3.1 Magnetorezistor ....................................................................................................... 43 5.3.2 Hallův článek (hallova sonda) ................................................................................. 43

6 Integrované obvody ............................................................................................................... 43 6.1 Rozdělení integrovaných obvodů ................................................................................... 44

6.1.1 Podle hustoty integrace............................................................................................ 44

6.1.2 Dělení integrovaných obvodů z konstrukčního hlediska: ....................................... 44 6.2 Analogové integrované obvody (AIO) ........................................................................... 44

6.3 Číslicové integrované obvody (ČIO) .............................................................................. 44 7 Příloha: schématické značky ................................................................................................. 46

Použitá literatura: .................................................................................................................. 47

3

1 Elektronický obvod 1.1 Jednoduchý elektrický obvod a jeho znázornění

Elektronický (elektrický) obvod je vodivé spojení elektronických prvků, např. odporů, kondenzátorů, cívek, tranzistorů, diod a spínačů. Tyto prvky vytváří vodivou cestu a splňují funkce, které jsou od obvodu požadovány, např. zesilování signálu, vytváření oscilací apod.

Může být nepatrný jako integrovaný obvod, nebo může zahrnovat celou elektrickou síť. Obvod může sestávat z jednotlivých prvků nebo celých integrovaných obvodů. Pokud je

vodivá dráha tvořená elektrickým obvodem uzavřená, pak se hovoří o uzavřeném elektrickém

obvodu. Je-li vodivá dráha obvodu přerušena, např. otevřeným spínačem, pak se mluví o otevřeném elektrickém obvodu. Jednotlivé součásti, ze kterých se skládá elektrický obvod,

bývají propojeny pomocí vodičů. Typickým příkladem jednoduchého elektrického obvodu může být baterie (elektrický zdroj), 2 dráty (vodiče), tlačítko (vypínač) a žárovka (spotřebič).

Ve většině případů je situace mnohem komplikovanější, protože běžný spotřebič se může skládat z desítek, stovek nebo tisíců součástek, z nichž mnohé mohou uvnitř realizovat komplikovaná zapojení skládající se ze stovek, tisíců nebo i milionů prvků. Elektrický obvod

rovněž často obsahuje více zdrojů (např. bateriové spotřebiče připojitelné na síť) a více vypínačů pro odpojování a přepojování různých funkčních celků.

Elektrický obvod lze zobrazovat mnoha způsoby, hovoříme tak o elektrotechnických schématech. Schémata patří mezi technickou dokumentaci. Zobrazují elektrotechnická zařízení a obvody zjednodušeně pomocí značek. Míra zjednodušení a charakter značek

vyplývají z účelu daného schématu. Základními druhy schémat podle účelu jsou: bloková schémata

obvodová schémata zapojovací schémata

1.1.1 Bloková schémata

Bloková schémata znázorňují jednoduchým způsobem funkci a funkční vztahy

v systému. Používají se jako nauková schémata, návrhy. Kreslí se v nich jen to, co je pro objasnění funkce důležité. Pravidla kreslení blokových schémat:

značky = obdélníky s vepsaným textem nebo značkou charakterizují funkci bloku mohou se využít i značky pro obvodová a mechanická schémata tok energie zleva doprava nebo je vyznačen

vždy doplněno vysvětlujícím textem

4

Obr. 1 von Neumannovo blokové schéma počítače

Obr. 1b Blokové schéma radiopřijímače využívající obvodové značky

1.1.2 Obvodová schémata

Obvodová schémata dávají ucelenou představu o činnosti a zapojení. Obsahují všechny součástky, spoje, měřící body a ovládací prvky. Kreslí se bez ohledu na

skutečné rozložení součástek v prostoru, jejich tvar a velikost. V těchto schématech používáme zásadně normované značky, které kreslíme tenkými čarami

5

Obr. 2 Obvodové schéma nf zesilovače

1.1.3 Zapojovací schémata

Zapojovací schémata zobrazují prostorové rozmístění el. Součástí a zařízení k nim

připojených vodičů. Jsou podkladem pro provedení spojů při výrobě a montáži. Musí být zobrazeny všechny spoje.

Pravidla pro kreslení zapojovacích schémat:

součásti se kreslí značkami nebo obdélníky nebo obrysem poloha značek odpovídá poloze součástek

všechny součástky musí být označeny ve shodě s obvodovým schématem musí být vykresleny všechny vodiče každý vodič musí mít popis (přímo ve schématu nebo v tabulce)

Obr. 3 Zapojovací schéma elektronické hrací kostky (deska plošných spojů a umístění součástek)

Schématické značky – při kreslení výše zmiňovaných schémat je třeba dodržovat normované značení jednotlivých elektronických prvků. Všechny součástky mají své schématické značky. Mnohdy se můžeme setkat i s jiným značením; většinou se jedná o americký způsob.

6

1.1.4 Obvodové součástky

Obvodové součástky se nazývají součástky, ze kterých se skládá elektronický obvod.

Jedná se o základní, dále nedělitelné části elektronického obvodu, které mají přesně dané elektrické vlastnosti neboli parametry.

1.3.1 Dělení obvodových součástek

Obvodové součástky lze dělit podle mnoha kritérií viz následující graf. Základní

členění je podle toho, zda jsou pasivní či aktivní, zda jsou či nejsou kmitočtově závislé nebo podle toho jak jsou závislé na napětí a proudu. Dále je můžeme rozdělit podle počtu vstupů a výstupů na elektrický dvojpól a čtyřpól.

a) Elektrický dvojpól (jednobran) – je jakákoliv elektrická součástka, která je do obvodu

připojena dvěma svorkami. Je jako neznámá černá skříňka, u které zkoumáme její elektrické vlastnosti, hodnoty zapisujeme do tabulek a grafů. Podle orientace napětí a proudu se dvojpól může chovat jako zdroj (baterie, fotočlánek), nebo jako zátěž

(odpor, impedance).

U některých dvojpólů VA charakteristiky záleží na další veličině (tlak, teplota, osvětlení) pak hovoříme o řízeném dvojpólu.

obr. 4 Řízený dvojpól

Lineární dvojpól: Funkční závislost mezi obvodovými veličinami je lineární.

7

Obr. 5a Lineární dvojpól

Nelineární dvojpól: k nelinearitě dvojpólu stačí nelinearita jedné ze součástek - funkční závislost.

Obr.5b Nelineární dvojpól

b) Elektrický čtyřpól – (dvojbran) - má 4 svorky. Vzájemný vztah mezi čtyřmi obvodovými veličinami čtyřpólu je vyjádřena dvěma charakteristickými rovnicemi

(v impedančním, admitančním nebo hybridním tvaru).

8

c) Trojpól – jedná se vlastně o čtyřpól, jelikož jedna ze svorek je společná jak pro vstup,

tak pro výstup (např. tranzistor, trioda, triak).

zjednodušené schéma trojpólu

9

1.3.2 Postup při zjišťování závislosti součástky na napětí a proudu

1. Sestavíme obvod dle schématu.

2. Postupně zvyšujeme napětí na součástce při současném měření proudu procházejícím součástkou.

3. Naměřené hodnoty vyneseme do grafu → získáme tak voltampérové charakteristiky

součástky (zkráceně VA charakteristika).

Lineární prvky mají přímkovou voltampérovou charakteristiku → lze u nich určit proud z Ohmova zákona

10

Nelineární prvky mají voltampérovou charakteristiku odlišnou od přímky → nelze u nich

určit proud z Ohmova zákona.

Obr. 6 Lineární a nelineární VA charakteristika

2 Pasivní obvodové součástky

2.1 Rezistory Elektrický odpor R vystupující v Ohmově zákoně je v praxi realizován součástkou

nazývanou rezistor. Důležitost této součástky vyplývá již ze samotného vzorce pro Ohmův zákon, který říká, že rezistory převádějí proud na napětí a naopak. Jinými slovy, při

průtoku daného proudu I vzniká na rezistoru úbytek napětí U, přímo úměrný hodnotě odporu R. Pokud bychom na rezistor přiložili napětí U, protekl by jím proud I tím menší, čím větší by

byla jeho hodnota odporu R. Rezistor je tedy v elektrickém obvodu schopen proud omezovat, což je další z jeho velmi častých aplikací. Pro odpor elektricky vodivého materiálu R platí vztah:

kde:

R hodnota elektrického odporu [Ω] ρ měrný elektrický odpor vodiče [Ωmm2 /m]

l délka vodiče l [m] S průřez vodiče [mm2]

Ze vztahu je patrné, že odpor R se zvětšuje s rostoucím měrným odporem a délkou

a s klesajícím průřezem S. Rezistory jsou elektronické součástky, jejichž základní

požadovanou vlastností je elektrický odpor žádané velikosti. Podle konstrukčního provedení je dělíme na dvě velké skupiny:

rezistory se dvěma vývody (většinou pevné)

11

rezistory s více než dvěma vývody (rezistory s odbočkami, odporové trimry

a potenciometry)

Nezávisle na předchozím dělení můžeme z technologického hlediska rozdělit rezistory na: vrstvové (odporový materiál ve formě vrstvy) drátové (vinuté odporovým drátem)

Obr. 7 Některé z typů používaných rezistorů a) vrstvový rezistor b), c) drátové rezistory d) odporový trimr

2.1.1 Parametry rezistorů

Součástky jsou obvykle popisovány mezními a charakteristickými parametry. Mezní parametry jsou ty, jejichž překročení vede ke zničení součástky. Charakteristické jsou ty,

které nám charakterizují užitné vlastnosti součástky. Jejich opomenutí vede většinou k nesprávné funkci obvodu, nikoliv však k jeho destrukci. Nejdůležitějšími parametry

diskrétního rezistoru je jmenovitá hodnota odporu (charakteristický parametr) a jmenovitá

zatížitelnost (mezní parametr). Jmenovitý odpor rezistoru představuje výrobcem předpokládaný odpor v ohmech, s příslušnou tolerancí v procentech. Podle udané tolerance

jsou hodnoty rezistorů vyráběny v řadě povolených čísel E6, E12, E24, atd. podle počtu n-hodnot v dekádě. Řada volených čísel (tzv. procentní) tvoří geometrickou posloupnost.

V tabulce jsou uvedeny hodnoty výše zmíněných řad:

Řada E 24 (5%)

1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0

3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

Řada E 12 (10%)

1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3.9 4,7 5,6 6,8 8,2

Řada E 6 (20%)

1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8

Jmenovitá zatížitelnost rezistorů Jmenovitá zatížitelnost vychází z elektrického výkonu způsobeného průchodem

proudu I rezistorem R, na kterém je přitom úbytek napětí U. Tento výkon se mění převážně v teplo. Jelikož by mohl nadměrný ohřev způsobit překročení teploty, nad kterou již nastávají nevratné změny parametrů daného rezistoru, stanovuje výrobce maximální povolený

(jmenovitý) ztrátový výkon, při kterém ještě tato teplota překročena není. Jeho hodnoty obvykle tvoří řadu 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 5 …[W] a nalezneme je u většiny výrobců shodné.

12

P = U ∙ I = R ∙ I2 = U2 / R

2.1.2 Značení rezistorů

Podle velikosti a tvaru rezistorů využívají výrobci zpravidla jeden ze tří druhů značení odporu

rezistorů: číselné značení s příponou barevný kód

číselný kód

Číselné značení s příponou Základní jednotkou pro značení odporu rezistorů je 1Ω. Ostatní řády se označují

obvyklými příponami (násobiteli). Na konci označení může být ještě písmeno značící

toleranci hodnoty odporu. Přípony a značky pro toleranci jsou uvedeny v následující tabulce Násobitel R a J může být vynechán.

Násobitel 100 103 106 109 1012 Přípona R, J k M G T

Tab. Kódy pro značení hodnot rezistorů

Tolerance (+/-)

20 % 10 % 5 % 2 % 1 %

Kód tolerance M K J G F

Kódy pro značení tolerance rezistorů

Barevný kód Označování rezistorů barevným kódem se využívá především u miniaturních rezistorů,

kde rozměry součástky neumožňují vyjádřit hodnotu a toleranci písmenovým kódem. Barevné

značení má výhodu ve snadném čtení údajů ze všech směrů a poloh umístění rezistorů, protože je provedeno po celém obvodu rezistorů. Pro určení hodnot odporu jednotlivých

rezistorů se používá tabulka 1.4. Značení se skládá ze tří až šesti proužků, kde první proužek je blíže k okraji rezistorů. Označení zahrnuje dvě až tři platné číslice, dále násobitel, toleranci a případně teplotní koeficient TKR. Příklad tohoto způsobu značení je na obr. 8.

13

Barevný kód značení rezistorů

Obr. 8 Různé způsoby značení odporu rezistoru o hodnotě 1200 Ω

Číselný kód

Tento způsob značení se používá zejména pro popis rezistorů SMD pro povrchovou

montáž. Skládá se ze tří nebo čtyř číslic, přičemž první dvě nebo tři číslice představují vlastní hodnotu odporu a poslední číslice jeho násobitel. V podstatě jde o obdobu čárového kódu.

2.1.3 Vlastnosti rezistorů

Teplotní součinitel odporu rezistoru

Teplotní součinitel odporu rezistoru (TKR) umožňuje určit změnu odporu rezistoru, způsobenou změnou jeho teploty. Udává největší poměrnou změnu odporu součástky, odpovídající nárůstu oteplení o 1°C, v rozsahu teplot, ve kterých je tato změna vratná.

14

Šumové napětí Vlivem nerovnoměrného pohybu elektronů uvnitř materiálu součástky, vznikají mezi

vývody rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu. Pokud bychom tyto změny zesílili a přivedli je jako nf signál například do reproduktoru, slyšeli bychom charakteristický zvuk, který označujeme jako šum elektronického obvodu. Příčinou šumu je šumové napětí,

které má dvě hlavní složky: tepelné šumové napětí a povrchové šumové napětí.

2.2 Potenciometry Potenciometry jsou proměnné otočné rezistory. Vyrábějí se jak vrstvové, tak i drátové.

Nejběžnější jsou vrstvové potenciometry lakové, u nichž je odporová dráha tvořena lakovou

vrstvou na vytvrzené izolační podložce. Kvalitnější jsou potenciometry s odporovou drahou tvořenou sklem nebo tvrditelnou pryskyřicí, obsahující vodivý materiál (grafit, práškové

stříbro, apod.) na izolační keramické podložce. Konstrukčně jsou potenciometry provedené jako jednoduché (obsahují pouze jeden systém) nebo dvojité (dva systémy ve spojených pouzdrech, ovládané samostatně uloženými osami) a tandemové (na jedné ovládací ose jsou

umístěny dva systémy). Podle závislosti dělícího poměru, na úhlu natočení osy, rozlišujeme potenciometry s různými průběhy. Nejdůležitější je potenciometr lineární (označovaný N)

a logaritmický (označovaný G). Všimněme si, že logaritmický potenciometr má závislost dělícího poměru na úhlu natočení exponenciální. Používá se k regulaci veličin, které závisí na napětí logaritmicky (např. hlasitost). Tyto veličiny jsou pak regulovány přímo úměrně úhlu

natočení osy. Speciálními typy jsou víceotáčkové potenciometry, které mají odporovou dráhu provedenou ve tvaru šroubovice a umožňují velice přesné nastavení požadované hodnoty

odporu. Provedení některých typů potenciometrů a průběh jejich charakteristik je uveden na obr. 10.

Obr. 9 Provedení potenciometrů a) lineární b) tandemový c) víceotáčkový

15

α

Obr. 10 Průběhy odporu potenciometrů v závislosti na natočení osy

a) lineární potenciometr

b) logaritmický potenciometr

c) exponenciální potenciometr

2.3 Odporové trimry Odporové (potenciometrické) trimry se od potenciometrů liší konstrukčním

provedením, které není určeno k trvalému posouvání polohy jezdce. Obvykle lze nastavit pomocí malého šroubováku. Můžeme je také využívat místo klasických rezistorů konkrétní

hodnoty, které nenalezneme v odporových řadách a tak si jejich hodnotu pevně nastavíme. Odporová dráha je tvořena vrstvou odporového materiálu stejného složení, jako u vrstvových potenciometrů.

Obr.11 Různé podoby trimrů

2.4 Kondenzátory Vedle rezistorů jsou kondenzátory nejčastěji používanou pasivní součástkou

v elektronice. Používají se jako vazební členy v tranzistorových zesilovačích, v laděných nízkofrekvenčních i vysokofrekvenčních obvodech nebo také k vyhlazení usměrněného napětí v napájecích zdrojích apod. Základní vlastností kondenzátoru je jeho kapacita C, to je

schopnost akumulovat na svých elektrodách náboj Q při určitém napětí U. Mezi kapacitou, nábojem a napětím na kondenzátoru platí:

16

C = Q / U

kde: C kapacita kondenzátoru [F] Q elektrický náboj [C]

U napětí na kondenzátoru [V]

Proud kondenzátorem je přímo úměrný změně napětí na jeho svorkách. Připojíme-li v daném okamžiku na kondenzátor stejnosměrné napětí, nastane přechodový děj, při kterém kondenzátorem proteče proud potřebný k jeho nabití (popřípadě vybití) na dané napětí. Pokud

nebude dále kondenzátor nějakým způsobem vybíjen (například připojeným obvodem nebo vnitřním svodem kondenzátoru), proud do něj po dobití již dále nepoteče. To znamená, že

kondenzátor nepropouští stejnosměrné napětí, což se v praxi hojně využívá (oddělovací kondenzátor). Naproti tomu v obvodech střídavého napětí kondenzátorem prochází proud (viz. 1.9) Kondenzátor přitom klade střídavému proudu střídavý odpor, označovaný jako

kapacitní reaktance X C.

Z uvedeného vzorce je patrné, že s rostoucí frekvencí f [Hz] reaktance X [Ω]

kondenzátoru C [F] klesá podle hyperboly. Na kondenzátory lze tedy zjednodušeně pohlížet jako na frekvenčně závislé odpory a lze je proto využívat například jako frekvenčně závislé

děliče napětí. U ideálního kondenzátoru předbíhá maximum proudu maximum napětí o 90°. Můžeme tedy říci, že na kondenzátoru se napětí opožďuje za proudem.

V ideálním kapacitoru nedochází k tepelným (Jouleovým) ztrátám, protože střední

hodnota činného výkonu za periodu je nulová. V případě reálného kondenzátoru (například s nežádoucím vnitřním odporem) se uvedený fázový posuv může lišit od ideálního případu

(90°) řádově o jednotky stupňů. Důsledkem jsou tepelné ztráty, které rostou s rostoucí frekvencí a protékajícím proudem. I tak se ale kondenzátor (ve srovnání s rezistorem) výhodně uplatňuje jako „odpor" pro střídavý signál.

2.4.1 Konstrukce kondenzátorů

Vlastní konstrukce kondenzátoru je ve většině případů tvořena dvěma vodivými elektrodami, které jsou navzájem odděleny dielektrikem. Pro určení kapacity kondenzátoru je nutno vycházet z jeho geometrických rozměrů (ploše a vzdálenosti elektrod) a parametrů

dielektrika, tj. permitivity vakua (ε0=8,85 . 10-12 F/m) a relativní permitivity materiálu dielektrika (εr), která udává, kolikrát je tato reálná permitivita větší než permitivita vakua.

Způsob dosažení co největší kapacity při co nejmenších rozměrech (pro dané provozní podmínky) lze nejjednodušeji vysvětlit ze vzorce pro deskový kondenzátor:

kde:

S plocha desek [m2] D vzdálenost mezi deskami [m]

17

Je patrné, že kapacita C roste s rostoucí relativní permitivitou εr a plochou desek S a s klesající vzdáleností desek d. Konkrétní hodnota kapacity je tedy dána geometrickou

složkou určenou rozměry S, d a dielektrickou složkou danou hodnotou relativní permitivity εr. Pokud by bylo dielektrikum tvořeno vakuem, byla by celá hodnota kapacity tvořena jenom geometrickou složkou. Elektrické parametry by byly ideální, ale poměr kapacity vůči objemu

kondenzátoru by byl velmi malý. Proto výrobci zvyšují kapacitu vkládáním dielektrika o relativně vysokých hodnotách εr. To však má své meze, protože materiály o velmi vysoké

hodnotě εr často vykazují nelineární a nestabilní chování a zároveň zavádějí omezení na vysokých frekvencích. Zvýšení kapacity použitím co možná nejtenčího dielektrika je omezeno jeho elektrickou pevností. Kondenzátory na vyšší provozní napětí musí mít

dielektrikum tlustší, jinak by mohlo dojít k jeho proražení. Zvyšování plochy desek je omezeno jen praktickými rozměry kondenzátoru. Aby byly rozměry co nejmenší, vyrábějí

se kondenzátory ve formě svitků dlouhých a tenkých fólií (vytvořených vrstvami elektroda-dielektrikum-elektroda) nebo tenkých destiček uspořádaných paralelně do bloků.

Obr. 12 Deskový kondenzátor

Na základě volby použitého dielektrika je možné provést základní rozdělení nejčastěji používaných kondenzátorů.

2.4.2 Druhy kondenzátorů

Kondenzátory s plastovým dielektrikem

Tyto kondenzátory jsou tvořeny svitky fólií a mají relativně velké rozměry, neboť jejich dielektrikum (polyester, polystyren, polypropylen, teflon atd.) má relativní permitivitu

εr řádu jednotek. Vyznačují se ovšem velkou přesností kapacity, dobrou teplotní stabilitou, nízkým svodovým proudem (velkým izolačním odporem) a dobrými vysokofrekvenčními

vlastnostmi (mají velkou geometrickou složku kapacity). Maximální hodnoty kapacity jsou řádově jednotky až desítky μF, maximální hodnoty provozního napětí až 1 kV.

Keramické kondenzátory Keramické kondenzátory jsou oblíbené pro své malé rozměry. Těch je dosahováno

použitím di-elektrika s velmi vysokou permitivitou (εr až do řádu 104). Přesnost hodnoty kapacity i teplotní stabilita kapacity je nízká, velikost svodového proudu je průměrná. Jsou dostupné přibližně do jednotek μF a do velmi vysokých hodnot jmenovitého napětí (až 30

kV). Mezi jednotlivými typy mohou být obrovské rozdíly co do kvality. Hrubým ukazatelem

18

kvality je velikost kapacity na jednotku plochy dielektrika. Je to dáno tím, že dielektrika

s velmi vysokou hodnotou relativní permitivity (typicky 100 < εr <10 000) obvykle vykazují značně nelineární závislost dielektrických vlastností na intenzitě elektrického pole včetně

hystereze a dalších nestabilit (například teplotních a frekvenčních). Kondenzátory s těmito dielektriky jsou vhodné jen pro úlohy v nízkofrekvenčních aplikacích (blokovací a filtrační účely). Při aplikacích keramických kapacitorů s malými rozměry a velkou kapacitou je tedy

na místě obezřetnost. V případě vyšších nároků stojí za to přesvědčit se o stabilitě parametrů v katalogu výrobce. Jinak by se mohlo klidně stát, že pro danou frekvenci (například kolem

1 MHz) již vykazuje použitá součástka zanedbatelnou kapacitu. Naproti tomu existují keramické kondenzátory s nízkou hodnotou εr (εr < 100), na něž lze klást i náročnější požadavky. Jedná se většinou o kondenzátory s kapacitou pod 1 nF.

Obr. 13 Příklad keramických kondenzátorů

Elektrolytické kondenzátory

Tyto kondenzátory se vyznačují největšími hodnotami kapacit na jednotku objemu a přijatelnou cenou. Toho je dosaženo použitím velmi tenkého (velmi malá hodnota d)

porézního (velká hodnota S) 1 dielektrika se současně velkou elektrickou pevností a typickou hodnotou relativní permitivity εr ~ 10. Kontakt katody (záporný pól) tvoří kovové pouzdro

kondenzátoru nebo kovová fólie připevněná na pouzdro. Vlastní katodu tvoří vodivý elektrolyt (kapalný nebo pevný) ve funkci velkoplošného přívodu proudu k dielektriku. To je tvořeno kysličníkem kovu (například hliníku nebo tantalu), který se vytváří na povrchu anody

(kladného pólu) působením protékajícího stejnosměrného proudu. Jedná se o takzvané formování dielektrika anodickou oxidací. Anoda je přitom tvořena kovovou fólií (například

hliníkovou nebo ze spékaného práškového tantalu). Anoda a katoda jsou odděleny izolační vrstvou, která zároveň slouží jako nosné médium pro elektrolyt (separátor). Kondenzátor je

nutné správně polarizovat, tj. vyšší (stejnosměrný) potenciál (+) přivádět na anodu a nižší (-

) na katodu. Pak dochází k formování dielektrika při současném nárůstu kapacity. Přesnost hodnoty kapacity je z těchto důvodů špatná (například -10 % až +100 %). Pokud polarizaci

otočíme, nastane odformování dielektrika, které je spojeno s tvorbou plynů a tepla a při vyšší hodnotě přiloženého napětí následuje až exploze součástky. Rozsah škod je dán konkrétní konstrukcí. V obvodech střídavého napětí se proto používají takzvané bipolární

elektrolytické kondenzátory, které si lze zjednodušeně představit jako dva antisériově zapojené (výše popsané) elektrolytické kapacitory. Teplotní stabilita kapacity je nízká,

svodový proud je značný, časová stálost parametrů je nedobrá. Po nabití na dané stejnosměrné napětí protéká i nadále kondenzátorem, v mnohých aplikacích nezanedbatelný, svodový proud. I přes uvedené nepříznivé vlastnosti se elektrolytických kapacitoru hojně užívá, a to

zejména tam, kde je zapotřebí velmi vysoká hodnota kapacity s malými nároky na přesnost a stabilitu (například u filtrů ve zdrojích stejnosměrného napětí).

19

Obr. 14 Příklad elektrolytických kondenzátorů

2.4.3 Značení kondenzátorů

Základní jednotkou použitou pro značení kondenzátorů je 10-12 F, tedy pikofarad [pF]. Zcela jednotné značení hodnot kondenzátorů různými výrobci bohužel neexistuje. Hodnota je většinou udána alfanumericky nebo číselným kódem, většinou tří čísel, kdy první číslice

udává první číselnou hodnotu, druhá číslice druhou a třetí násobitel 10n . Dále může být udána tolerance (písmenem, viz. značení rezistorů), druh dielektrika (barevným kódem), max.

dovolené napětí (číselný kód). Hodnota bývá vždy vztažena k základní jednotce 1 pF, s výjimkou kondenzátorů elektrolytických, které mají na svém pouzdru většinou přímo uvedenu konkrétní hodnotu.

Příklady značení:

22 nebo 220 jedná se o kondenzátor s kapacitou 22 pF (22 pF . 100) 22n nebo 223 jedná se o kondenzátor s kapacitou 22 nF (22 pF . 103) 22μF nebo 22M jedná se o kondenzátor s kapacitou 22 μF (22 pF . 106)

2.4.4 Vlastnosti kondenzátorů

Teplotní součinitel kapacity Teplotní součinitel kapacity je definován stejně jako pro rezistor a udává změnu

kapacity vztaženou na změnu teploty o 1K. Velikost i znaménko teplotního činitele závisí

na druhu použitého dielektrika. Keramické kondenzátory mají TKC řádově 10-5 K-1, plastové 10-3 K-1.

Indukčnost kondenzátoru

Přívody a elektrody kondenzátorů mají vlastní indukčnost, která se nepříznivě projevuje při použití v obvodech s vysokými kmitočty. Spolu s kapacitou kondenzátoru vytváří indukčnost sériový rezonanční obvod, který se při rezonančním kmitočtu chová jako

odpor. Fázový posuv mezi napětím a proudem je nulový, ale nad rezonančním kmitočtem pak dochází k fázovému posuvu indukčního charakteru. Podle druhu provedení kondenzátoru je

rezonanční kmitočet cca 106 až 1010 Hz.

Tolerance jmenovité kapacity Tolerance jmenovité kapacity kondenzátoru je největší odchylka skutečné kapacity

kondenzátoru od jmenovité kapacity vyjádřená v procentech jmenovité kapacity. Pro kondenzátory, vyráběné v řadách E6, E12 a E24, platí stejné hodnoty tolerance jako u rezistorů.

Jmenovité napětí a provozní napětí kondenzátoru

20

Jmenovité napětí udává výrobce kondenzátoru pro jednotlivé typy v katalogu,

případně je na jednotlivých součástkách vyznačuje přímo ve voltech nebo kódem. Provozní

napětí je největší napětí, které může být trvale na kondenzátor připojeno. Kondenzátory pro

stejnosměrné napětí mohou mít superponovánu určitou střídavou složku, ale součet napětí smí dosáhnout nejvýše napětí provozního. U elektrolytických kondenzátorů musí být stejnosměrné napětí vyšší než maximální hodnota napětí střídavého, protože při provozu

nesmí dojít k poklesu napětí na nulu nebo dokonce k přepólování elektrolytického kondenzátoru.

Ztrátový činitel tg δ kondenzátoru

Ztráty energie vznikající v kondenzátoru je moţné rozdělit na dvě základní části: ztráty dielektrické (závislé na kmitočtu)

ztráty vzniklé vlivem svodu mezi elektrodami

V náhradním schématu reálného kondenzátoru bereme v úvahu přiřazení tzv.

„ztrátového odporu― RS nebo RP k ideálnímu kondenzátoru. Velikost ztrát, vznikajících

v kondenzátoru posuzujeme pomocí ztrátového činitele tg, který je udáván pro

kondenzátory jednotlivých typů v katalogu. Příslušný úhel , nazývaný jako ztrátový úhel, je

to úhel, o který je fázový posun skutečného kondenzátoru menší než 90°. Vzhledem ke

svému fyzikálnímu významu má být ztrátový činitel co nejmenší. Jeho hodnota se uvádí vždy pro určitý kmitočet a teplotu. Nejmenší ztrátový činitel mají kondenzátory vzduchové (cca

10 -5 až 10-6) a keramické (cca 10-4). Největší ztrátový činitel mají naopak kondenzátory elektrolytické (cca 0,1 až 0,3). Při vzrůstu teploty se ztrátový činitel elektrolytických

kondenzátorů mírně zmenšuje. Velmi nepříznivé je prudké zvětšení ztrátového činitele při nízkých teplotách znemožňující použití pro teploty nižší než asi -60°C.

Reciprokou hodnotou ztrátového činitele je činitel jakosti Q.

Teplotní součinitel kapacity

Teplotní součinitel kapacity je definován stejně jako pro rezistor a udává změnu

kapacity vztaženou na změnu teploty o 1K. Velikost i znaménko teplotního činitele závisí na druhu použitého dielektrika. Keramické kondenzátory mají TKC řádově 10-5 K-1, plastové

10-3 K-1.

Indukčnost kondenzátoru

Přívody a elektrody kondenzátorů mají vlastní indukčnost, která se nepříznivě projevuje při použití v obvodech s vysokými kmitočty. Spolu s kapacitou kondenzátoru

vytváří indukčnost sériový rezonanční obvod, který se při rezonančním kmitočtu chová jako odpor. Fázový posuv mezi napětím a proudem je nulový, ale nad rezonančním kmitočtem pak dochází k fázovému posuvu indukčního charakteru. Podle druhu provedení kondenzátoru je

rezonanční kmitočet cca 106 až 1010 Hz. Celkové náhradní schéma kondenzátoru je uvedeno na obr. 15.

21

Obr. 15 Náhradní schéma kondenzátoru

2.5 Cívky Cívky jsou dvojpólové součástky, konstruované takovým způsobem, aby vytvořily

vlastní indukčnost L definované velikosti. Cívku vytvářejí závity vodiče, které jsou uspořádány do jedné nebo několika vrstev. Prostor, který závity obepínají, má obvykle

kruhový, čtvercový nebo obdélníkový průřez. Indukčnost cívek závisí na počtu závitů, jejich geometrickém uspořádání a na magnetických vlastnostech prostředí, které závity obepínají, i které cívky obklopuje. Podle konstrukce je možné cívky rozdělit na dvě velké skupiny:

cívky bez jádra (vzduchové) cívky s jádrem (většinou z magneticky vodivého materiálu)

Prochází-li elektrický proud I uzavřeným obvodem (představme si jej

pro jednoduchost jako jednu uzavřenou smyčku), vzniká magnetický tok (), pro který platí:

Φ = L ∙ I kde

velikost magnetického toku Wb (Weber) L vlastní indukčnost smyčky H (Henry) I proud protékající smyčkou A

Vytvoříme-li cívku z N výše zmíněných smyček (závitů), bude při stejném protékajícím proudu výsledný indukční tok N – krát větší a indukčnost L se zvětší:

Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce časová změna magnetického

toku indukuje v uzavřené vodivé smyčce napětí (případně proud) nezávisle na tom, jakým způsobem byla tato změna vyvolána (tj. pohybuje-li se smyčka v časově stálém magnetickém

poli, nebo mění-li se toto magnetické pole ve stojící smyčce). Záporné znaménko ve zmíněném zákonu respektuje Lenzovo pravidlo, které říká,

že indukovaný proud (a tudíž i napětí) působí proti změně, která jej vyvolala. Jinými slovy,

cívka brání změnám proudu. Napětí přiložené na svorky cívky způsobuje časový nárůst proudu cívkou. Čím větší bude indukčnost L, tím pomaleji bude proud narůstat pro dané

napětí U. Cívka má tedy indukčnost jednoho Henry, indukuje-li se v ní napětí jednoho voltu při rovnoměrné změně proudu o jeden ampér za jednu sekundu. Připomeňme si, že v případě kondenzátoru tomu bylo z hlediska proudu a napětí naopak. Proud kondenzátorem způsobil

časovou změnu napětí na jeho svorkách. Máme tedy k dispozici dvě navzájem analogické součástky vycházející ze dvou analogických veličin. Kapacity vyplývající z popisu

elektrického pole a indukčnosti vyplývající z pole magnetického. Po připojení cívky (například v sérii s rezistorem) na stejnosměrné napětí dochází k přechodovému ději, kdy

22

se v cívce indukuje napětí s polaritou působící proti napětí zdroje a proud proto narůstá na

svou maximální hodnotu (ustáleného stavu) jen postupně. Výkon dodávaný cívce se nemění v teplo, ale spotřebovává se na vytváření magnetického pole cívky. Po rozpojení obvodu, tj.

po přerušení proudu cívkou, se nahromaděná magnetická energie uvolní zpět. V důsledku platnosti Lenzova pravidla je toto spojeno s nárůstem napětí na cívce, které může mít pro spínač nepříjemné následky (vznik elektrického oblouku, proražení a podobně).

V případě připojení cívky na zdroj střídavého napětí, klade cívka střídavému proudu střídavý odpor označovaný jako induktivní reaktance: X L

Z uvedeného vzorce je zřejmé, že proudové a napěťové poměry jsou u ideální cívky opačné než u ideálního kondenzátoru. Maximum napětí tedy předbíhá maximum proudu o 90°.

2.5.1 Energie magnetického pole cívky Pro vytvoření magnetického toku musí elektrický proud vykonat práci. V prostoru

okolo vodiče i v samotném vodiči se nahromadí určitá energie. Tato energie je potřebná

k vytvoření magnetického pole a zůstává v něm nahromaděna. Pro energii magnetického pole cívky pak platí:

2.5.2 Provedení cívek

Vzduchové cívky Vzduchové cívky jsou konstruovány pro indukčnosti řádově mikrohenry, výjimečně

jednotek milihenry. Jsou používány převážně ve vf obvodech s kmitočtem řádově až stovky Hz. Použití v nf obvodech je tam, kde je kladen požadavek značné linearity indukčnosti při proudových změnách (např. kmitočtová výhybka u reproduktorových soustav).

Obr. 16 Různá provedení vzduchových cívek

a) samonosná jednovrstvá cívka

b) vzduchová vícevrstvá cívka s vinutím na kostře

c) plošná cívka

23

Cívky jsou realizované buď jako samonosné, případně se při větším počtu závitů vinou

na kostřičky z izolačního materiálu. Speciální skupinu tvoří tzv. plošné cívky, které jsou vytvořeny vyleptáním měděné fólie, tvořící obrazec plošného spoje do tvaru závitu. Jejich

oblast použití spadá především do vf obvodů v přijímací technice. Cívky s jádrem

Zvětšení indukčnosti cívky lze dosáhnout při srovnatelných rozměrech zvětšením magnetického toku (snížením magnetického odporu). Toho lze dosáhnout, jestliže

se magnetický tok vytvořený v cívce uzavírá přes jádro z magneticky vodivého materiálu. Podle druhu použitého jádra dosahuje maximální indukčnost cívek s jádrem několik desítek až stovek mH (cívky pro použití ve vysokofrekvenčních obvodech), případně až několik

desítek henry (nízkofrekvenční tlumivky). Jádra jsou vyráběna z magneticky značně vodivých materiálů s malými hysterezními ztrátami. Elektrická vodivost jader musí být naopak

co nejmenší, aby ztráty vznikající v jádře průchodem vířivých proudů byly malé.

Obr17. a) Cívky s magnetickým jádrem b) jednofázová tlumivka

Pro cívky s indukčností do několika set mikrohenry se používají jádra šroubová. Jádro má tvar šroubu s jemným závitem a lze ho šroubováním zasouvat do prostoru cívky a tím zvětšovat indukčnost. Cívky s větší indukčností využívají jader hrníčkových, která jsou

složena ze dvou stejných částí miskového tvaru. Jádro po složení zcela obklopuje cívku, takže rozptyl magnetického toku do okolí jádra je velmi malý. Cívka je navinuta na izolační kostře,

která je nasunuta na středním sloupku jádra. Nízkofrekvenční tlumivky se používají zejména ve filtračních článcích stejnosměrných napájecích zdrojů. Jsou realizovány pomocí jádra tvořeného transformátorovými plechy, jejichž magnetický obvod je přerušen vzduchovou

mezerou. Tato mezera omezuje možnost přesycení magnetického obvodu vlivem procházející stejnosměrné složky proudu.

2.5.3 Výpočet indukčnosti cívek

Pro výpočet indukčnosti jednovrstvé vzduchové cívky platí upravený Nagaokův vztah:

kde:

L indukčnost cívky [μH] k konstanta zohledňující poměr D/l

24

D průměr cívky [cm] S obsah průřezu cívky

l délka cívky [cm] μ permeabilita prostředí N počet závitů (μ0 = 1,2566.10-6 H/m)

Obr. 18 Řez jednovrstvou cívkou bez jádra

2.6 Transformátory Jak již víme z elektrotechniky transformátor je netočivý stroj, který funguje

na principu vzájemné elektromagnetické indukci. V principu se jedná o dvě cívky umístěné blízko sebe, které sdílí své magnetické pole. Většinou se tyto cívky vinou na společné jádro

vyrobené z materiálu magneticky vodivějšího než vzduch např. železo (či ferit):

Obr. 19 Schématické znázornění transformátoru

Použití jader:

Pro nízké kmitočty (50 Hz), ale také pro akustické frekvence) lze použít jádro železné. Zmenšení ztrát lze docílit rozdělením jádra na plechy.

V radiotechnice, vysokofrekvenčních měničích atd. lze používat jádra feritová. Ferit je

skoro nevodivý (omezuje vířivé proudy v jádře) a má menší magnetickou paměť čili užší hysterezní smyčku (menší magnetizační ztráty).

Pro ještě vyšší frekvence se používají transformátory bez jader. (např. Teslův transformátor)

Princip činnosti transformátoru:

1. Na primární cívku přiložíme střídavé napětí. 2. Začne v ní růst proud takovou měrou, aby vznikající magnetické pole v cívce

indukovalo právě takové napětí, jaké je na cívku připojeno.

3. Magnetický tok prochází všemi cívkami a tedy i na nich vzniká napětí. Z toho tedy plyne, že přiložením napětí na primární cívku vytvoříme napětí i na sekundární cívce.

4. Pokud ze sekundární cívky odebíráme proud, vede to ke zmenšení magnetického pole a o to větší proud odebírá primární cívka.

25

Pokud cívky nemají stejný počet závitů, můžeme takto měnit poměr napětí/proud. Platí,

že napětí je úměrné počtu závitů podle transformační rovnice:

Transformovat lze pouze střídavý proud, a to tím snáze, čím je vyšší frekvence. Účinnost velkých transformátorů je okolo 98%.

V elektronice používáme malé transformátory navinuté na feritovém jádře, prstenci nebo hrníčku (obr. 20) z důvodu vysokých frekvencí a tím nutnosti použít materiály s co

nejužší hysterezní smyčkou. Tyto malé transformátory používáme jako oddělovací, ladící nebo se s nimi setkáme ve spínaných zdrojích apod.

Obr.20 a) Vysokofrekvenční transformátory b) Hrníčkové jádro

3 Polovodiče Polovodiče jsou látky, které se za určitých podmínek chovají jako izolanty, ale při

změně těchto podmínek se mohou chovat spíše jako vodiče a elektrický proud jimi může procházet.

K nejběžnějším polovodičům patří křemík Si a germánium Ge. I když mohou polovodiče více či méně vést elektrický proud, jejich vlastnosti se výrazně liší například od kovových vodičů:

Kovové vodiče:

mají malý měrný odpor elektrický proud vedou pouze

volné elektrony v krystalové mřížce je velký počet

volných elektronů při zahřátí se zvětšuje jejich odpor osvětlení nemá vliv na jejich

vodivost příměsi zvětšují jejich měrný

Polovodiče:

mají mnohem větší měrný odpor proud vedou uvolněné elektrony

a kladné "díry" počet uvolněných elektronů se

může měnit změnou vnějších podmínek

při zahřátí se zmenšuje jejich

odpor při osvětlení se zmenšuje jejich

odpor

26

odpor vhodné příměsi výrazně zmenšují

jejich měrný odpor a mění typ vodivosti

Zvláštní elektrické vlastnosti polovodičů jsou způsobeny stavbou jejich krystalové

mřížky. Ukážeme si to na příkladu krystalové mřížky čtyřmocného křemíku se čtyřmi

valenčními elektrony. Při nízké teplotě a ve tmě jsou valenční elektrony silně poutány k jádru a křemík proud nevede (obr. 21 a). Při zvýšení teploty nebo osvětlení se mohou některé valenční elektrony z krystalové mřížky uvolnit (obr. 22 b). Na místě uvolněného elektronu

chybí záporný náboj a toto prázdné místo se nazývá "díra". Chybějící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný. Na místo "díry" může přeskočit jiný uvolněný elektron

a chybějící záporný náboj tak nahradit. Dojde k jevu, zvanému rekombinace. Původní kladná "díra" zanikne, ale objeví se na místě, odkud k ní elektron přeskočil. Navenek to vypadá, jakoby se v krystalové mřížce "díry" chaoticky stěhovaly z místa na místo.

obr. 21 a) b)

Připojíme-li však k tomuto polovodiči vnější napětí, začnou se záporné elektrony přesouvat

ke kladnému pólu a kladné díry k pólu zápornému. Dojde k usměrněnému pohybu nábojů, polovodičem začne procházet elektrický proud. Pokud v polovodiči vedou elektrický proud elektrony a "díry" vzniklé výše popsaným způsobem, hovoříme o vlastní vodivosti.

Polovodiče typu N a P

Mnohem větší využití než čisté polovodiče však mají polovodiče, v jejichž krystalové mřížce je při výrobě umístěno nepatrné množství vhodných příměsi. Výběrem příměsi můžeme dosáhnout toho, aby v polovodiči byl elektrický proud veden buď volnými elektrony

(elektronová vodivost, vodivost typu N), nebo "děrami" (děrová vodivost, vodivost typu P).

Vodivost typu N (negativní):

V krystalu křemíku jsou některé atomy nahrazeny pětimocnými atomy, např. fosforu nebo arzenu. Jejich čtyři

valenční elektrony se účastní vazeb, ale páté se již v chemických vazbách nemohou uplatnit. Jsou velmi slabě

vázané a již při nízkých teplotách se z vazeb uvolní. Tyto

27

volné elektrony způsobují po připojení zdroje elektronovou

vodivost polovodiče typu N.

Vodivost typu P (pozitivní): Zabudují-li se do krystalové mřížky křemíku atomy

trojmocného prvku se třemi valenčními elektrony, např. india, chybí pro obsazení všech chemických vazeb elektrony.

V místě nenasycené vazby vznikne "díra" s kladným nábojem. Tuto "díru" může zaplnit elektron z některé jiné vazby a "díra" se v krystalu přesune na jeho místo.

Po připojení zdroje vznikne děrová vodivost polovodiče typu P.

3.1Polovodičová dioda (přechod PN) Základem většiny polovodičových součástek (diod, tranzistorů, svítivých diod,

mikroprocesorů, fotočlánků aj.) je tzv přechod PN. Jedná se o oblast styku dvou polovodičů s opačným typem vodivosti. Typickou vlastností přechodu PN je jeho usměrňovací účinek. V jednom směru jím proud může procházet, zatímco v opačném směru nikoli. Mohou nastat

tři stavy:

Přechod PN není připojen ke zdroji napětí: - v oblasti přechodu PN přejde část volných elektronů z oblasti N do oblasti P a tam rekombinují s "děrami". V tomto

prostoru se vytvoří oblast bez volných nábojů o šířce několika tisícin milimetru.

Přechod PN v závěrném směru: Připojíme-li k polovodiči P záporný pól

a k polovodiči N kladný pól zdroje, vzdalují se působením elektrických sil volné náboje od přechodu PN. Oblast bez volných nábojů se rozšíří, její odpor vzroste a elektrický proud přechodem PN nemůže procházet. Nevodivé oblasti bez volných

nábojů říkáme hradlová vrstva. Pokud bychom však dále zvyšovali závěrné napětí, dojde k průrazu hradlové vrstvy a tím k trvalému poškození diody.

28

Přechod PN v propustném směru: Připojíme-li k polovodiči P kladný pól

a k polovodiči N záporný pól zdroje, přecházejí působením elektrických sil volné elektrony přes přechod PN ke kladnému pólu a "díry" jsou přitahovány k zápornému

pólu. Hradlová vrstva prakticky zanikne a její odpor se výrazně zmenší. Takto zapojeným přechodem PN proud prochází.

Voltampérová charakteristika polovodičové diody

Je to graf závislosti proudu, který prochází diodou, na připojeném napětí. Rozlišujeme část charakteristiky v propustném směru, kdy potenciál anody je větší než katody, a část v závěrném směru, kdy je tomu naopak. Propustný směr značíme do prvního kvadrantu a část

v závěrném směru do III. kvadrantu.

3.1.1 Druhy diod

Diody pro síťové usměrňovače

Jsou konstruovány pro proudy desítek ampér

a napětí desítek a stovek voltů technických frekvencí. Vyráběny jsou z křemíku, převážně difúzní technologií.

Vrstva niklu vytváří neusměrňující spojení s vývodem anody, nevlastní vodivost P je vytvořená difúzí boru nebo galia na základní destičku. Následuje základní destička

typu N a silně dotovaná vrstva N+, vytvářející neusměrňující přechod s vývodem katody.

Diody pro usměrňování malých VF proudů:

Plošné diody

Vyrábějí se z Si difúzní technologií, základní destička typu N – katoda, anoda je vytvořena technologií difuze, krystal má rozměry 1x1mm.

29

Hrotové diody

Germaniové hrotové diody :

Ge krystal s nevlastní vodivostí typu N je čtvercového

tvaru asi 1 x 1 (mm) tloušťky 0,1 mm. Na povrch germaniové destičky, tvořící katodu diody, je pružně přitlačován hrot tenkého wolframového drátku tvořící anodu, má pouze mechanický kontakt

s povrchem polovodičové destičky. Dobrého usměrňovacího účinku se dosáhne tzv. formováním, impulsem proudu asi 1 A, který projde diodou v přímém

směru, tak vznikne miniaturní oblast s vodivostí typu P těsně pod místem dotyku hrotu. Nejlepších výsledků se dosáhne, obsahuje-li hrot příměsi způsobující v germaniu vodivost typu P (např. Indium).

Kapacita přechodu je asi 1 pF. Mezní frekvence kolem 100 MHz; ve speciálním provedení až 1000 MHz. Závěrná napětí jsou několik desítek voltů a přípustné hodnoty

usměrněných proudů jen 10 až 20 mA. Diody se zlatým hrotem:

Základem diody je opět destička z germania typu N, která je katodou. Drátek tvořící přívod k anodě je však zlatý s příměsí galia.

Při formování dojde k přivaření zlatého drátku k polovodičovému krystalu, galium se rozpustí v roztaveném germaniu a vytvoří silně dotovanou oblast typu P. Vznikne dioda s miniaturním slitinovým

přechodem PN. Takto vyrobená dioda sdružuje v sobě výhodné vlastnosti hrotových i plošných diod.

Dioda má vysokou mezní frekvenci, asi 100 MHz a u některých typů diod až 1000 MHz. Výhodou je též menší odpor v přímém směru a větší odpor i menší proud ve zpětném směru, než mají diody hrotové.

Diody pro stabilizaci napětí:

Pro stabilizaci stejnosměrných napětí je možné využít vlastností přechodu PN plošných křemíkových diod vyrobených vhodným způsobem, které jsou polarizovány

ve zpětném směru.

Zenerova dioda

Dioda má velmi tenký přechod PN, při působení napětí ve zpětném směru vzniká

velká intenzita elektrostatického pole a dochází k vytrhávání elektronů z vazeb krystalové mřížky.To se projeví prudkým

růstem zpětného proudu diody při téměř stálém napětí, dynamický vnitřní odpor diody

se zmenší z hodnoty několik MΩ na několik desítek až jednotek Ω. Popsaný děj se nazývá Zenerův jev.

Napětí, při kterém Zenerův jev nastává, se nazývá Zenerovo napětí.

K vyvolání Zenerova jevu je třeba, aby E~107 V/m. Intenzita elektrostatického pole ve vyprázdněné oblasti je při určitém napětí nepřímo úměrná její tloušťce. U nejtenčích vrstev

se dosahuje kritické intenzity pole (Zenerova napětí) asi při 3 V. Při zvětšování tloušťky

30

přechodu Zenerovo napětí postupně stoupá a objevuje se další jev zvětšující proud ve zpětném

směru, lavinový jev. Je-li přechod široký, je velká pravděpodobnost, že letící elektron narazí ve vyprázdněné oblasti na jiný elektron a uvolní ho z vazby. Oba elektrony jsou polem dále

urychlovány a během své cesty uvolní nárazem další elektrony, ty podobným způsobem opět další. Nastává lavinová ionizace v oblasti přechodu, projevující se podobným způsobem jako Zenerův jev.

Zenerův jev se uplatňuje v tenkých přechodech. Začíná působit při napětí asi 3 V při napětích vyšších, než asi 6 V postupně mizí a je plynule vystřídán lavinovým jevem. Oba jevy

se z hlediska stabilizace napětí projevují stejným způsobem. Při Zenerově jevu vyvolá zvýšení teploty pokles průrazného napětí, při lavinovém jevu zvýšení průrazného napětí. V okolí 6 V se teplotní závislost obou jevů kompenzuje, dioda stabilizující napětí 6 V je téměř

nezávislá na teplotě.

Kapacitní diody:

Schematická značka:

Kapacitní diody jsou součástky využívající závislosti na přiloženém napětí. Polarizují se ve zpětném směru. Jsou to plošné diody vyráběné z Si nebo z GaAs.

Je-li přechod strmý (slitinový), závisí kapacita diody na napětí přibližně podle vztahu

R

dU

kC , kde k je konstanta závislá na materiálu a provedení diody a UR je napětí mezi

anodou a katodou ve zpětném směru.

Pro přechod pozvolný, vzniklý difúzí nebo epitaxní technologií dostáváme 3

R

dU

kC .

Vhodným rozdělením příměsí v okolí přechodu lze získat též lineární závislost kapacity na přiloženém napětí. Kapacita Cd může být při UR = 0 kolem deseti pF až na několik stovek pF. Základními parametry, které charakterizují kapacitní diodu, jsou kromě kapacity Cd a její

závislosti na napětí také činitel jakosti Q a horní mezní frekvence fh.

Kapacitní diody určené k přelaďování rezonančních obvodů místo ladících kondenzátorů

se nazývají varikapy. Kapacita se mění pomocným, tzv. ladicím stejnosměrným napětím. Amplituda VF signálu je oproti ladícímu napětí zanedbatelná, není nutné počítat se změnami kapacity vlivem VF signálu.

Diody určené pro obvody s velkou amplitudou signálu, kdy signál mění během své periody značně kapacitu diody, se chovají jako nelineární reaktance. Pro ně se užívá název varaktory.

Slouží např. ke směšování a násobení velmi vysokých napětí.

Diody pro velmi vysoké frekvence

Schottkyho dioda :

Schottkyho diody využívají ke své činnosti usměrňujícího kontaktu polovodič-kov. Vyrábějí se např. napařením tenké vrstvy Au na povrch epitaxní vrstvy GaAs nebo Pt

na povrch Si apod. V místě styku polovodiče a kovu dochází k velmi rychlému odsátí volných nosičů náboje kovem. Proto je doba zotavení těchto diod neobyčejně krátká (jednotky pikosekund) a mezní frekvence je velmi vysoká (řádu desítek gigahertzů). Dovolené napětí

ve zpětném směru je malé. Pro diodu GaAs-Au asi –3V , pro Si-Pt asi –5 V.

31

Schottkyho diody se užívají ve směšovačích a demodulátorech v pásmu centimetrových

vln. Proti dříve používaným speciálním hrotovým diodám mají menší šum, větší účinnost a větší odolnost proti elektrickému i mechanickému namáhání.

Dioda PIN :

Diody PIN se vyrábějí z křemíku.Vrstva s typem P, která tvoří anodu, je oddělena od vrstvy typu N, tvořící katodu, tenkou vrstvou velmi čistého křemíku. Tato mezivrstva, tlustá několik mikrometrů není dotována žádnou příměsí, má pouze vlastní (intrizitní)

vodivost. Vrstva I se neuplatňuje při průchodu ss proudu nebo proudů tak nízkých frekvencí, že odpovídající doba periody 1/f je mnohokrát delší než doba potřebná k průchodu nosičů

náboje přes vrstvu I. V těchto případech se dioda chová stejně jako obyčejná křemíková dioda s malou plochou přechodu. Rovněž má stejnou voltampérovou charakteristiku. Při vysokých frekvencích, kdy doba potřebná k průchodu nosičů náboje přes vrstvu I je

srovnatelná s periodou procházejícího signálu, ztrácí dioda PIN svůj nelineární charakter a chová se jako lineární rezistor. Velikost jejího odporu pro vysoké frekvence Rvf je možně

měnit velikost ss proudu IF, kterým diodu v přímém směru polarizujeme. VA charakteristika, platná pro vysoké frekvence, ukazuje, že se zmenšuje odpor Rvf při zvětšování ss proudu IF. Tloušťkou vrstvy I je určena nejnižší frekvence, při které se dioda začne chovat jako řízený

rezistor. Diody PIN se používá při frekvencích stovek až tisíců MHz. Diodami PIN ve vhodném

provedení je možné spínat VF výkony od 1 mW až do 100 kW. Přitom je výkon spotřebovaný k ovládání diody řádu miliwattů.

Tunelová dioda :

Dioda se vyrábí z velmi dotovaného Ge nebo GaAs. Při polarizaci ve zpětném směru se tunelová dioda chová jako lineární rezistor

s malým odporem. V přímém směru její IA vzrůstá do bodu P - dosahuje maxima Ip v bodě

P při napětí Up asi 0,1 V. Při dalším růstu anodového napětí anodový proud klesá až do bodu V. Při napětí asi 0,3 až 0,4

V se voltampérová charakteristika tunelové

32

diody připojuje k charakteristice běžné germaniové diody nebo diody z GaAs. Je zřejmé,

že pro pracovní doby ležící mezi body P a V vykazuje dioda záporný diferenciální odpor. Této vlastnosti se dá využít k sestrojení oscilátorů nebo rychlých spínačů. Generované kmity

mohou mít velmi vysokou frekvenci – až desítky GHz. Aplikace tunelových diod přináší řadu nevýhod, a proto se tyto diody v současné době používají jen zřídka.

Svítivá dioda (LED)

Svítivá dioda neboli LED (z anglického light emitting diode) je polovodičová dioda, která při průchodu proudu v propustném směru svítí.

Když diodou prochází proud, dochází na PN přechodu k rekombinaci elektronů a děr.

Přitom se uvolňuje energie, která je přibližně rovna šířce zakázaného pásu. Tato energie se může vyzářit ve formě fotonu nebo být absorbována v krystalové mříži, což se projeví

zvýšenou teplotou polovodiče. Pravděpodobnost zářivé rekombinace (s fotonem) roste se zvětšující se šířkou

zakázaného pásu. U křemíku se šířkou zakázaného pásu 1.1 eV je uvolňovaná energie

převážně absorbována v krystalu, ze kterého je tepelnou výměnou odváděna do okolí. U diody z galium-arsenidu (GaAs) se šířkou zakázaného pásu 1.34 eV bude již nezanedbatelná část

energie uvolněné při rekombinaci vyzařována ve formě fotonů o příslušné vlnové délce, která však ještě spadá do oblasti neviditelného infračerveného záření. Kombinace tohoto materiálu s fosforem, tzv. galium arsenid fosfid (GaAsP), již při rekombinaci vyzařuje červené viditelné

záření. Použijeme-li materiál o vhodné šířce zakázaného pásu, můžeme vytvořit diody svítící

světlem zeleným, žlutým nebo oranžovým.

Existuje mnoho dalších specializovaných druhů diod jako je například laserová dioda

(mechaniky CD), infradioda (dálkové ovladače) a další.

3.2 Tranzistory Jsou to nelineární polovodičové součástky, patří mezi nejdůležitější polovodičové

součástky. Jsou tvořeny krystalem se dvěma přechody PN. Střední část krystalu je báze B a přechody PN ji oddělují od oblasti s opačným typem vodivosti, které označujeme jako

kolektor C a emitor E. Oblast kolektoru je zpravidla větší než oblast emitoru a přechody jsou v malé vzájemné vzdálenosti, takže objem báze mezi oběma přechody je velmi malý.

Tranzistor má dva obvody - vstupní a výstupní. Proto by měl mít čtyři vývody.

Tranzistor má však ve skutečnosti pouze tři vývody (elektrody); jedna elektroda je společná oběma obvodům. Proto se rozlišují zapojení se společnou bází, zapojení se společným

kolektorem nebo zapojení se společným emitorem. Tranzistor má dva přechody PN - emitorový (přechod E - B) a kolektorový (přechod B - C).

33

obr. 22 Schématické značky tranzistorů

3.2.1 Bipolární tranzistory

Bipolární tranzistory jsou aktivní elektronické součástky se třemi elektrodami: emitor

E, báze B a kolektor C. Bipolární tranzistory si lze představit jako dvě diody zapojené proti sobě. Bipolární tranzistory jsou typu NPN nebo PNP. Podle toho, která z elektrod bude

použita společně pro vstup a výstup se jedná o zapojení se společným emitorem, kolektorem či bází.

Základní zapojení bipolárních tranzistorů včetně vlastností : se společným emitorem - SE

se společným kolektorem - SC se společnou bází – SB

Obr. 23 Používaná zapojení bipolárních tranzistorů

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Tranzistor má tři vrstvy se třemi vývody. Vnější jsou emitor E a kolektor C. Emitor je

bohatěji dotován příměsemi a má tedy větší vodivost. Mezi nimi je tenká vrstva báze B.

Přechod báze – kolektor je polarizován ve zpětném směru. Přes tento přechod může procházet pouze velmi malý proud minoritních nosičů náboje, kterými jsou elektrony. Tento proud

se označuje ICB0 a u tranzistorů vyrobených z křemíku dosahuje hodnoty pouze jednotky µA. Mezi bázi a emitor zapojíme zdroj napětí v přímém směru (s naznačenou polaritou) s napětím mezi 0,6 ÷ 0,9V. Tím se přechod mezi emitorem a bází plně otevře a z emitoru do báze začne

procházet proud IE většinových nosičů náboje, kterými jsou elektrony. Pouze malá část jich rekombinuje v bázi a tvoří proud báze IB. Zbytek elektronů prochází přes bázi do kolektoru

34

a tvoří proud kolektoru IC (v bázi jsou vůči kolektoru menšinovými nosiči). Vždy musí platit

vztah:

IE = IB + IC

Obr. X. Struktura tranzistoru PNP a NPN

Bipolární tranzistor představuje nelineární dvoubran a jako takový je popsán soustavou charakteristik. V katalozích výrobců se nejvíce udávají charakteristiky pro nejpoužívanější zapojení, kterým je zapojení se společným emitorem - SE.

Vstupní charakteristiky tranzistoru: o na vstupu se tranzistor chová jako dioda o ze sklonu vstupní charakteristiky lze zjistit vnitřní odpor tranzistoru

o vstupní charakteristiky jsou málo závislé na změnách ve výstupním obvodu Výstupní charakteristiky tranzistoru:

o proud procházející tranzistorem je funkcí vstupního proudu (napětí) a výstupního napětí

o jednu proměnnou volíme konstantní a to vstupní veličinu

o jednotlivé výstupní charakteristiky jsou téměř rovnoběžné s osou výstupního napětí

o z toho plyne, že pro velikost výstupního proudu IC je rozhodující vstupní veličina, u zapojení SE je to proud IB nebo napětí UBE a výstupní proud na změně výstupního napětí téměř nezávisí

o tranzistor se chová na výstupu jako zdroj konstantního proudu s velmi velkým vnitřním odporem

o velikost dynamické vnitřní vodivosti určuje sklon charakteristiky

Převodní charakteristiky tranzistoru: o Proudová převodní charakteristika tranzistoru - vyjadřuje závislost výstupního

proudu na vstupním, při konstantním napětí UCE. o Napěťová převodní charakteristika tranzistoru je sestrojena ze vstupní

a převodní proudové chrakteristiky tranzistoru.

35

Obr. 24 Soustava charakteristik bipolárního tranzistoru

3.2.2 Unipolární tranzistory

Unipolární tranzistor je polovodičová součástka řízená elektrickým polem, která využívá vlivu elektrického pole na průchod proudu polovodičem. Vedení proudu je uskutečněno v polovodiči s jedním druhem nevlastní vodivosti – P nebo N.

Elektrické pole, které vzniká připojením řídícího napětí na řídící elektrodu zvanou hradlo G (gate-brána), rozšiřuje nebo zužuje vodivou dráhu v polovodiči, tzv. kanál mezi hlavními

elektrodami, tj. emitorem E a kolektorem C .Podle způsobu připojení hradla k polovodiči dělíme tranzistory FE do dvou skupin:

s přechodovým hradlem - JFET

s izolovaným hradlem a vodivým kanálem MOSFET s izolovaným hradlem a indukovaným kanálem MOSFET

Tranzistor řízený elektrickým polem s přechodovým hradlem - JFET

Základ tvoří polovodičová destička typu P nebo N. Na obou koncích je opatřena neusměrňujícími kontakty, které slouží k přivádění proudu a mají význam emitoru E

a kolektoru C. Na horní i spodní straně je vytvořena difuzí silně dotovaná vrstva obráceného typu

vodivosti P+ ( N- ) nazvaná hradlo G. Obě části hradla jsou spojeny a tvoří řídící elektrodu.

Prostor mezi částmi hradla se nazývá kanál.

V okolí hradla se vytvoří vyprázdněná oblast. Hradlo se spojuje vždy s editorem.

Po připojení napětí UCE mezi E a C kladnou svorkou na C prochází kanálem proud IC. Proud IC prudce roste, po dosažení určité hodnoty se zvyšuje jen velmi pozvolna viz

obr. 6.

Mezi hradlo G a emitor E připojíme zdroj předpětí UGE , přechod PN musí být vždy polarizován ve zpětném směru – v opačném případě je tranzistor zničen!

Přivedením předpětí dojde k zúžení vodivého kanálu a tím k poklesu proudu IC. Pro jednotlivá předpětí se růst proudu ukončí při menších hodnotách.

36

Zúžení kanálu není po celé jeho délce kolem hradla stejné, protože ze strany kolektoru

C, který je připojen na kladnou svorku zdroje UCE, je závěrné napětí na přechodech větší než ze strany emitoru E.

Vodivý kanál se úplně nikdy neuzavře. Hradlem G prochází proud IG ~ 0A (jde o hodnoty řádově v pA).

Tranzistor MOS FET s izolovaným hradlem a vodivým kanálem

V polovodičové destičce s vodivostí typu P jsou vytvořeny dvě oblasti s vyšší koncentrací příměsí N+, nazývají se emitor E (S) a kolektor C (D). Řídicí elektroda (G) je od substrátu oddělena tenkou vrstvou oxidu křemičitého SiO2. V prostoru mezi nimi je

vytvořen vodivý kanál se stejným typem vodivosti - N. Uspořádání je na obr.XX. Při záporném předpětí na řídicí elektrodě dochází k vytvoření záporně vázaného

povrchového náboje na rozhraní SiO2-N-kanál, který odpuzuje elektrony z kanálu, jeho vodivost klesá a snižuje se i proud IC. Popsaný typ tranzistoru MOSFET se nazývá tranzistor (MOS FET) s izolovaným hradlem a vodivým kanálem pracujícím v režimu ochuzení.

Při kladném předpětí na řídicí elektrodě G vůči emitoru E, dochází k dalšímu přitahování minoritních nosičů ze základní destičky s vodivostí P (elektronů) k řídicí

elektrodě, čímž se zvyšuje vodivost kanálu. Při zvyšování napětí mezi emitorem a kolektorem UCE se rovněž zvětšuje proud IC. Při určité hodnotě UCE = UCESAT dochází k zaškrcení kanálu u kolektoru, kolektorový proud se mění málo, i při zvyšování napětí.

Obr. 25 Tranzistor MOS FET s izolovaným hradlem a vodivým kanálem

Tranzistor MOS s indukovaným kanálem

Je tvořen základní polovodičovou destičkou slabě dotovanou příměsí, tj. o velkém odporu.

Na destičce např. typu N jsou zhotoveny dvě oblasti s opačným druhem vodivosti P, ze kterých jsou vyvedeny C a E.

Hradlo G je od základní destičky odděleno vrstvou SiO2, která představuje izolant

Izolační vrstvička tvoří dielektrikum kondenzátoru, jehož elektrodami jsou hradlo a polovodičová destička, která je obvykle svorkou S připojena na E

Po připojení zdroje UCE mezi emitorem E a kolektorem proud nemůže procházet, není vytvořen vodivý kanál

Po připojení předpětí UGE zápornou svorkou na hradlo G a kladnou na emitor E,

indukuje se pod vrstvou oxidu na základní destičce kladný náboj, který mění její vodivost z typu N na P. Od tzv. prahového napětí UGE = UT vzniká mezi C a E

indukovaný kanál, který vodivě spojuje obě elektrody. Po připojení napětí UCE mezi C a E uzavírá se kanálem proud IC, jehož velikost závisí na napětí UCE i UGE.

37

4.Spínací prvky, tyristor, triak, diak

4.1 Tyristor Tyristor je polovodičová součástka sloužící ke spínání elektrického proudu (nejčastěji výkonových obvodů), fungující jako řízený elektronický ventil.

schématické znázornění a značka tyristoru

Tyristor je čtyřvrstvá spínací součástka (obvykle PNPN), která nevykazuje usměrňující účinky jako dioda, avšak je možné ji ovládat (spínat) pomocí impulsu do řídicí

elektrody G (gate). Anoda (A) a katoda (K) se v obvodu nesmí zaměnit, zátěž je vždy připojena k anodě.

Jedná se o velice účinný nástroj pro řízení velmi výkonných elektrických strojů.

V moderních elektrických lokomotivách se používá nejčastěji pro pulzní regulaci výkonu trakčních motorů pro stejnosměrný proud. K regulaci výkonu asynchronních motorů

se používají vyspělejší zařízení IGBT.

Způsoby zapnutí a vypnutí tyristoru

Zapnutí

Krátkodobým proudovým pulsem do řídicí elektrody G (gate).

Překročením kritické hodnoty anodového napětí dojde k průrazu druhého PN přechodu. (Tento způsob je obvykle nežádoucí.)

Rychlým nárůstem anodového napětí, tj. nadkritickou strmostí UAK (S = ΔU/Δt = i/C). Při velké strmosti se vyvolá velký proud I přes přechod, který dále vyvolá

lavinovou ionizaci krystalové mřížky a tím uvede tyristor do sepnutého stavu. Tento způsob sepnutí bývá většinou nežádoucí a je nutno mu předejít například tlumivkou nebo jiným zpomalovacím členem.

Teplotou při určitém napětí UAK. (Také většinou nežádoucí.)

Osvětlením druhého (PN) přechodu, takto pracuje fototyristor.

(Radioaktivním zářením, při kterém sepne každý polovodič.) Vypnutí

Přerušením anodového proudu.

Komutací anodového napětí (přepólování). U střídavých proudů se tak děje

automaticky v každé záporné půlvlně, ve stejnosměrných obvodech je nutno použít komutační zařízení.

Zkratem mezi anodou (A) a katodou (K).

38

obr. 26 Obecná VA charakteristika tyristoru

4.2Triak Triak (z anglického TRIode Alternating Current switch = triodový spínač střídavého

proudu) je polovodičový spínací prvek schopný vést elektrický proud oběma směry.

schématické znázornění a značka triaku

Vlastnosti triaku přibližně odpovídají vlastnostem dvou antiparalelně zapojených tyristorů (obr. 27), u kterých jsou řídicí elektrody propojeny v jednu. Triaky jsou

konstruovány pro běžná napětí v rozvodných sítích a pro proudy do několika ampérů. Typické použití je v regulaci domácího osvětlení, otáček praček, vrtaček a podobných nízkovýkonových elektrických spotřebičů. Hlavní výhodou je jednoduché zapojení

do elektrických obvodů.

obr. 27 antiparalelní zapojení tyristorů

Popis funkce

Pro sepnutí triaku musí být na hlavních elektrodách dostatečně velké napětí a do řídicí elektrody musí být přiveden proudový impuls o hodnotě vyšší, než je proud spínací.

Triak je sepnutý a vede tak dlouho, dokud se velikost protékajícího proudu nesníží pod hodnotu vratného proudu (tj. do okolí nuly).

39

Uzavírání triaku nastane při poklesu proudu pod hodnotu vratného proudu,

a to při jakémkoliv proudu řídicí elektrody. Pokud triakem neprotéká žádný proud a hodnota proudu na řídicí elektrodě je nižší než

hodnota spínacího proudu, triak se ihned uzavře (rozepne).

obr. 28 Obecná VA charakteristika triaku

4.3 Diak Diak (z anglického diode for alternating current (DIAC) = dioda pro střídavý proud)

je polovodičový spínací prvek schopný vést elektrický proud oběma směry, ale jen pro určitou hodnotu. Diak se od triaku liší tím, že nemá řídící elektrodu a je tedy ovládán jen vstupním

napětím. Dá se používat v propustném i závěrném směru, ale na rozdíl od triaku se nedá řídit.

schématické znázornění a značka diaku

Vlastnosti

Diak má stejně jako tranzistor 3 polovodičové vrstvy uspořádané do dvou PN přechodů. Má

však jen dva vývody, vyvedené ze stejného typu polovodiče. Může být typu NPN i PNP. Protože nezáleží na polaritě napětí, není potřebné označovat vývody.

Funkce

Nejdůležitějším parametrem je tedy spínací napětí (značené většinou UB0), které se často pohybuje v řádech desítek voltů. Po překročení tohoto napětí dojde k tranzistorovému jevu

a diak začne vést proud. Použití

Nejčastěji se používá jako přepěťová ochrana. Využití může nalézt také jako pomocná součástka při spínání triaku.

40

obr. 29 Obecná VA charakteristika diaku

5 Součástky řízené neelektrickými veličinami

5.1 Součástky řízené teplem

5.1.1 Termistor (NTC termistor)

Termistor je polovodičová součástka, jejíž odpor s teplotou

klesá. Používá se například pro snímání teploty u počítačových čipů. S rostoucí teplotou se v polovodiči uvolňuje stále více volných nosičů, proud roste a odpor termistoru se snižuje o několik řádů.

5.1.2 Pozistor (PTC termistor)

Pozistor je polovodičová součástka, jejíž odpor s teplotou roste. Používá se například pro teplotní ochranu - při překročení povolené teploty prudce

vzroste její odpor. Se zvyšující se teplotou se v polovodiči uvolňuje stále více volných nosičů a hodnota odporu jen mírně klesá až do okamžiku, kdy je volných nosičů tolik, že do sebe začnou chaoticky narážet a navzájem si překážet, takže proud prudce klesne a hodnota odporu

se o několik řádů zvýší.

Můžete se setkat i s označením termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) a termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) pro pozistor.

41

obr. 30 VA charakteristika termistoru a pozistoru

5.2 Součástky řízené světlem

5.2.1 Fotorezistor

Fotorezistor je polovodičová součástka, jejíž odpor s intenzitou dopadajícího světla

řádově klesá z MΩ na stovky Ω. Z polovodičového materiálu je na keramické destičce vytvořena meandrová cestička, na kterou dopadá světlo. Energie světla uvolňuje elektrony

z vazeb, proud roste a hodota odporu klesá.

5.2.2 Fotodioda

Fotodioda je polovodičová dioda, která je citlivá na osvětlení PN přechodu světlem určité vlnové délky. Na PN přechodu fotodiody je elektrické pole způsobené pohyblivými

částicemi s nábojem. Spojíme-li konce fotodiody přes rezistor (obr. XX), začne rezistorem

42

protékat proud tvořený těmito volnými částicemi. Na PN přechodu (je-li stále osvětlen)

se přitom generují stále další a další páry elektron-díra a fotodioda se tedy chová jako zdroj stejnosměrného napětí. Velikost napětí je asi 0,5 V na jeden článek (jednu fotodiodu).

Fotodioda v tomto zapojení se často nazývá sluneční (solární) článek.

U diody zapojené k vnějšímu zdroji v závěrném směru energie dopadajících fotonů uvolňuje z vyprázdněné oblasti elektrony a díry a ty mohou vést proud. Čím větší je intenzita dopadajícího světla, tím vyšší bude hodnota závěrného proudu.

5.2.3 Fototranzistor

Fototranzistor funguje jako klasický bipolární tranzistor, jen místo řídícího proudu do báze dopadá do této oblasti vhodně upraveným otvorem v pouzdru světlo, jehož intenzita

určuje míru otevření tranzistoru.

obr. 31 Charakteristika fototranzistoru a schématická značka

5.2.4 Fototyristor

Fototyristor je možné sepnout světelným impulzem. Citlivost (jaká intenzita světla sepne tyristor) se dá přednastavit proudem do řídící elektrody (menším, než spínacím).

obr. 32 Charakteristika fototyristoru a schématická značka

43

5.2.5 Optron

Optron je uzavřená součástka obsahující zdroj světla a fotocitlivou součástku (nejčastěji jde o kombinaci LED diody a fotodiody nebo fototranzistoru). Slouží

ke galvanickému oddělení dvou obvodů, mezi kterými je potřeba přenášet analogový nebo digitální signál.

5.3 Součástky řízené magnetickým polem

5.3.1 Magnetorezistor

V magnetickém poli dochází k ovlivňování toku nosičů elektrického proudu a prodlužování jejich dráhy, což se projeví zvětšením odporu magnetorezistoru.

5.3.2 Hallův článek (hallova sonda)

Hallův článek je tvořen tenkou polovodičovou destičkou, kterou protéká stejnosměrný

proud. Pokud se destička nachází v magnetickém poli, toto zatlačí nosiče elektrického proudu k jedné straně a způsobí rozdíl potenciálů neboli napětí měřitelné v kolmém směru

k protékajícímu proudu.

Hallova sonda je doplněna další elektronikou a využívá se na bezkontaktní spínače, bezkontaktní (klešťové) měřiče stejnosměrných i střídavých proudů, měřiče otáček, atd.

6 Integrované obvody Potřeba zmenšit rozměry, hmotnost elektronických zařízení a zlepšit jejich parametry

podnítila rozvoj nového technologického směru – mikroelektronika. Základní mikroelektronickou součástkou je integrovaný obvod.

44

6.1 Rozdělení integrovaných obvodů Z funkčního hlediska dělíme integrované obvody na analogové a digitální. Z konstrukčního hlediska rozdělujeme integrované obvody na monolitické a hybridní.

6.1.1 Podle hustoty integrace (počet aktivních i pasivních součástek umístněných na

základní destičce polovodiče) dělíme integrované obvody na obvody:

1) S malou hustotou integrace: Obsahují méně než 100 obvodových prvků. SSI 2) Se střední hustotou integrace: Obsahují víc jak 100 obvodových prvků. MSI 3) S velkou hustotou integrace: Obsahují několik 1000 obvodových prvků. LSI

4) S velmi vysokou hustotou integrace: Obsahují několik desítek tisíc až sto tisíc obvodových prvků. VLSI

6.1.2 Dělení integrovaných obvodů z konstrukčního hlediska:

Z konstrukčního hlediska je rozdělujeme na monolitické a hybridní.

Monolitické integrované obvody (MIO) je vytvořen na jediném kusu polovodičového materiálu (podložce), na níž jsou realizovány jednotlivé funkční prvky:

a) bipolární b) unipolární

Hybridní integrované obvody (HIO) je vytvořen na nosné nevodivé podložce (keramika, sklo)

a jednotlivé funkční prvky jsou vytvářeny různými způsoby. a) mnohočipové

b) tenkovrstvé c) tlustovrstvé d) kombinované

6.2 Analogové integrované obvody (AIO) Základními analogovými funkcemi jsou zesílení, porovnávání, násobení a dělení,

frekvenční filtrace. Většina těchto obvodů se vyrábí monolitickými technikami, převážně

bipolární a epitaxně planární technologií. Pro správnou činnost obvodů pracujících se spojitými signály je nutné dodržovat pracovní body s velkou přesností, takže nároky

na přesné dodržení parametrů aktivních součástek a parametrů pasivních součástek jsou podstatně vyšší než u číslicových obvodů. Dále se nepříznivě projevuje to, že některé pasivní součástky nelze realizovat monolitickými technologiemi (všechny cívky a kapacity vyšší než

několik desítek pF). Tato nevýhoda se obvykle řeší připojením diskrétních součástek k příslušným bodům integrovaného obvodu prostřednictvím vnějších vývodů.

6.3 Číslicové integrované obvody (ČIO) Číslicové integrované obvody jsou určené pro zpracování číselného signálu. Obvykle

je tento signál dvouhodnotový (logický). Zpracovává se pomocí logických funkcí

realizovaných jednotlivými členy integrovaného obvodu. Základní logické funkce tvoří soubor matematických operací realizovaných množinou vstupních poměrových signálů.

1) Negace NOT 2) Součet OR 3) Součin AND

45

4) Negovaný součet NOR

5) Negovaný součin NAND A, B = Vstupní nezávislé proměnné. Y = Výstupní závislá proměnná.

Značení logických proměnných signálů:

Logická 0 = značí se „L“ Logická 1 = značí se „H“(To platí pro pozitivní logiku, pro negativní logiku je to obráceně). Tyto logické proměnné, respektive logické úrovně, jsou

u číslicových integrovaných obvodů definovány hodnotami napětí. Monolitické integrované obvody MIO Bipolární integrované obvody Používají

jako stavební prvek bipolární tranzistor (elektronickou aktivní součástku řízenou elektrickým proudem, u které se využívá pohybu majoritních i minoritních nosičů náboje). Bipolární součástky se vyznačují poměrně velkou rychlostí činnosti a velkým výkonem. Potřebují jedno

napájecí napětí. U bipolárních obvodů LSI se dosahuje menší hustoty integrace vzhledem k poměrně velkému ztrátovému výkonu, který se musí zmenšit chlazením.

V bipolární technologii se postupně vyrobilo více technik používaných u obvodů

typu SSI nebo MSI: RTL Odporově vázaná logika DTL Diodově vázaná logika ECL Editorově vázaná logika TTL Tranzistorově tranzistorová logika TTL-S Tranzistorově

tranzistorová Schottkyho logika (rychlá verze TTL). Unipolární integrované obvody Základním stavebním prvkem je unipolární

tranzistor (elektronický aktivní prvek řízený elektrickým napětím, u kterého se využívá pohybu pouze majoritních nosičů náboje). Tyto obvody mají některé negativní vlastnosti, především menší rychlost a možnost poškozením statickým nábojem, poměrně vysoké

napájecí napětí a napěťovou neslučitelnost s logikou TTL. Při výrobě unipolárních integrovaných obvodů se uplatňují tyto technologie:

PMOS: Využívá kanálu P, vyznačuje se malou rychlostí. NMOS: Využívá kanálu N, proti technice PMOS má asi třikrát větší rychlost (elektrony jsou pohyblivější než díry), tato technologie je výhodná a proto se zdokonaluje.

CMOS: Využívá tranzistor s kanálem P tak i tranzistor s kanálem N, v komplementárním zapojení je vždy jeden tranzistor otevřený a druhý zavřený. Výhody: jedno napájecí napětí

(1,5 až 9 V), malý ztrátový výkon. Nevýhody: vysoké náklady a menší hustota (kalkulátory a hodinky). VMOS: Využívá trojrozměrného uspořádání tranzistoru, které podstatně zvětšuje integraci

a zlepšuje elektrické parametry obvodu. Modifikace NMOS. HMOS: Zdokonalená technologie NMOS.

46

7 Příloha: schématické značky

Kontakty

Pasivní obvodové součástky

Jistící zařízení, zdroje elektrické energie

Měřící přístroje

47

Polovodičové součástky

Signalizační zařízení

Použité zdroje: Literatura:

KLAUS Tkotz a kol., 2006. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Europa-Sobotáles cz.

ISBN 80-86706-13-3 BRANDŠTETTER Pavel a kol., Elektronika Prvky elektronických obvodů.Ostrava: VŠB TU Ostrava

Ing. MAŤÁTKO Jan. Elektronika 5. Vydání. IDEA SERVIS. 2002. ISBN 80-85970-42-2 Tranzistor, dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/339-tranzistor

Tyristor, dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Tyristor Součástky řízené neelektrickými veličinami, dostupné z: http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/neelektricke.htm

Triak, dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Triak Diak, dostupné z: http://cs.wikipedia.org/wiki/Diak