10. Základy elektroniky

Obsah

    Linky
  1. Vedenie prúdu v rôznych prostrediach
  2. Polovodiče
  3. Spôsoby výroby PN prechodu
  4. Dióda
  5. Voltampérová vharakteristika diódy
  6. Druhy diód
  7. Zapojenia so spínacími diódami
  8. Bipolárny tranzistor
  9. Zapojenia tranzistora
  10. Prúdový zosilovací činiteľ tranzistora
  11. Unipolárny tranzistor
  12. Tyristor
  13. Triac
  14. Diac
  15. Senzory - fotoodpor, fotodióda, fototranzistor, CCD, snímač pohybu
  16. Zobrazovacie zariadenia - LCD, LED, LD
  17. Otázky na opakovanie

Linky

  1. Násobič napätia: http://alzat.spseke.sk/zdroje/nasob/nasobice.htm

1. Vedenie prúdu v rôznych prostrediach

  1. Vo vákuu elektrickému prúdu = pohybu nabitých častíc nič nekladie prekážku, častice sa pohybujú bez straty energie. Napríklad slnečný vietor vo vesmíre, urýchlovač častíc, CRT obrazovka.
  2. V plynoch tečie prúd až po ionizácii plynu. Plyn sa obvykle ionizuje napätím medzi elektródami. Ionizovaným plynom preteká prúd ako vodičom. Príkladom sú výbojky používané na osvetlenie, alebo blesk.
  3. V izolantoch prúd netečie, pretože izolanty neobsahujú voľné nosiče náboja. Prúd začne tiecť až pri určitej vykoje intenzite elektrického poľa anastáva prieraz izolantu. Každý izolant z určitého materiálu a určitej hrúbky má svoju elektrickú pevnosť vyjadrenú v kV.
  4. Vodiče sú materiály ktoré obsahujú voľné nosiče náboja a vedú prúd s pomerne malými stratami. Vodičmi sú obvykle kovy a elektrolyty. Zahrievaním vodiča klesá jeho vodivosť, pretože sa zvyšujú zrážky nosičov náboja s okolitými atómami, dochdáza k strate ich pohybovej energie a elektrický prúd sa mení na teplo.
  5. Polovodiče sú látky, ktorých vodivosť má hodnotu medzi kovmi a izolantmi.

2. Polovodiče

Čisté polovodiče sú kremík Si a germánium Ge. Tepelný pohyb polovodičov spôsobuje uvoľňovanie elektrónov z atómov polovoiča. Vznikajú voľné elektróny a diery (miesta s kladným nábojom odkial sa uvoľnil elektrón). Zahrievaním polovodiča sa zvyšuje jeho vodivosť, pretože sa s rastúcou teplotou uvoľňuje viac elektrónov.Prímesové polovodiče obsahujú atómy ktoré dodávajú voľné elektróny alebo diery, preto zvyšujú vodivosť polovodiča. Polovodiče typu N majú prebytok voľných elektrónov. polovodiče typu P majú prebytok dier.

3. Spôsoby výroby PN prechodu

  • bodový - privarenie kovového drôtu ku kryštálu
  • zliatinový - na monokrištál N sa položí legujúci materiál P, zahreje sa, vznikne zliatinový prechod
  • difúzny - vzniká difúziou - P legovaním? do monokryštálu N z plynnej fázy (cca 1?m/hod)
  • fotolitografický - možnosti: 1.) planárny prechod PN = selektívna difúzia s oxidovaným maskovaním; 2.) prechod PN v epitaxnej vrstve = a) epitaxný rast, alebo b) selektívna difúzia; 3.) odleptaný diferenciálny prechod - malá plocha prechodu

4. Dióda

Polovodičová dióda vzniká spojením dvoch polovodičov typu P a N. Na mieste spojenia vznikne PN prechod. Na PN prechode vzniká napätie. Pri pripojení napätia v záverneom smere sa prechod zväčšuje a dióda nevedie prúd. Při zapojení napätia v priepustnom smere prechod mizne a dióda vedie prúd.

5. Voltampérová charakteristika diódy

Voltampérová charakteristika znázorňuje závislosť napätia a prúdu na dióde. Pri zvyšovaní napätia v priepustnom smere z nuly na hodnotu kým zmizne napätie na PN prechode sa dióda postupne otvára, závislosť napätia a prúdu ni eje lineárne. Napätie pri ktorom sa dióda otvorí v priepustnom smere je typicky asi 0,7 V. Pri ďalšom zvyšovaní napätia už prúd diódou je lineárne závislý od napätia. V závernom mere diódou tečie iba veľmi malý záverný prúd. Pri veľmi veľkom závernom napätí nastane prieraz diódy a dióda sa otvorí. U obyčajných diód znamená prieraz zničenie diódy. Obvykle sú to tisíce voltov.

Obrázok: Voltampérová charakteristika: UBR - prierazné napätie, v závernom smere, UFmax -> IFmax je dané maximálnym príkonom, teplom ktoré môže vyžiariť bez poškodenia.

Obyčajné diódy sa používajú na usmernenie striedavého napätia. Frekvencia s ktorou môžu pracovať je daná ich konštrukciou. Čím širší je prechod, tým pracujúc s menšou frekvenciou ale zasa s väčším prúdom.

6. Druhy diód:

  • Usmerňovacia dióda je určená na výkonové usmernenie striedavého napätia. Pre väčšie prúdy majú diódy púzdro ktoré umožňuje pripojiž ich na chladič.
  • Detekčná dióda je určená na usmernenie vysokofrekvenčného prúdu v prenosovej technike.
  • Zenerova dióda je špeciálne navrhnutá diódy, ktoré sa prierazom nezničí. Jej prierazné napätie je konštručne nastavené na presnú hodnotu rádovo v desiatkách voltov. Zenerove diódy sa využívajú na stabilizáciu napätia. Diódu možno zničiť aj priepustnom smere, a to tak že ňou tečie väčší prúd ako je povolený. Dochádza k tepelnému zničeniu diódy. Výkonove diódy sa chladia a to umožní aby pracovali s väčšími prúdmi. Výkonové diódy sa používajú napríklad v alternátoroch alebo zváracích prístrojoch.
  • Varikap je dióda u ktorej sa využíva kapacita PN prechodu, ktorá sa mení v závislosti na napätí na varikape, teda od stupňa otvorenia diódy. Varikapy sa používajú v napäťovo riadených kmitavých obvodoch, napríklad v kanálovom voliči.
  • LED (light emited diode) - svetlo emitujúca dióda - je určená na osvetlenie a signalizáciu.
  • LD (laser diode) - laserová dióda - vyžaruje úzke svetelné spektrum (šírka 1 nm), využíva sa v prenosovej technike (optické káble).

7. Zapojenia so spínacími diódami

  1. Jednocestný usmerňovač je tvorený jednou sériovo zapojenou diódou, ktorá prepúšťa iba jednu polvlnu striedavého napätia. Usmernením vznikne pulzujúce jednosmerné napätie.
  2. Dvojcestný mostíkový usmerňovač
  3. Dvojcestný usmerňovač pre 3-fázové napätie
  4. Ochrna trsanzistora pred indukčnou záťažou: indukovaný prúd pri vypínaní indukčnej záťaže má opačný smer ako napájacie napätie, indukčná špička je vyskratovaná diódov, podobne ako pri odrušovaní komutátorového meotora.
  5. Odrušenie jednosmerného komutátorového elektromotora: Neustále prerušovanie a zapínanie cievok motora pri otáčaní rotora spôsobuje indukčné impulzy, ktoré sa pri nekvalitnom odrušení dostávajú do celej elektrickej sústavy a putujú po kábloch na veľké vzdialenosti. Rušenie môže byť širokospektrálne, od rádovo desiatok Hz po desiatky kHz. Odrušovacie diódy sú zapojené v závernom smere vzhľadom na napájacie napätie elektromotora. Diódy vyskratujú indukované napätie.
  6. Násobič napätia sa používa na získanie vyšších jednosmerných napätí rádovo stovky voltov až jednotky kilovoltov z nižšieho striedavého napätia. Sú vhodné pre malé zaťažovacie prúdy, jenotky až desiatky miliampér. Zapojenie najjednoduchšieho kaskádového násobiča napätia je znázornené na obrázku.

8. Bipolárny tranzistor

Tranzistor (angl. Transistor) - transfer rezistor. Obsahuje 3 elektródy: báza B, koletor C a emitor E.

U bipolárneho tranzistora sa na vodivosti sa podielajú elektróny aj diery, je tvorený dvoma prechodmi na jednom monokryštále, emitorový prechod sa obyvkle polarizuje v priepustnom a kolektorový v závernom smere

Štruktúra NPN a PNP tranzistora:

Princíp činnosti tranzistora:

Malým prúdom báze ovládame oveľa väčší prúd kolektoru

Zapojenie tranzistorov:

  • so spoločným emitorom SE
  • so spoločnoým kolektorom SC
  • so spoločnou bázou SB

Druhy tranzistorov:

  • univerzálne - zosilovacie stupne, Pc < 0,5 W, Uce < 50 V, Ic < 0,5 A
  • výkonové: Pc < stovky W, Uc < 150 V, Ic < desiatky A
  • vysokofrekvenčné
  • spínacie - optimalizované na rýchle zmeny

Značenie tranzistorov. Napríklad KC149.

Prvé písmeno

  • A (G) ? germániový tranzistor
  • B (K) ? kremíkový tranzistor

Duhé písmeno

  • C ? nízkofrekvenčné tranzistory
  • D ? nízkofrekvenčné výkonové tranzistory
  • F ? vysokofrekvenčné tranzistory
  • L ? vysokofrekvenčné výkonové tranzistory
  • S ? spínacie tranzistory
  • U ? spínacie výkonové tranzistory

Tratie písmeno priamo označuje technické parametre tranzistora.

5. Unipolárny tranzistor

Prúd vedú majoritné nositele náboja ? voľné eletróny alebo diery.

Typy:

  • FET (Field Effect Tranzistor) ? využíva objemové javy v kryštalickom polovodiči
  • JFET (Junction FET). Štruktúra:

Činnosť tranzistora JFET: šírka ochudobnenej oblastia a tým aj N-kanálu sa mení na základe potenciálu = napätia na G oproti S.

  • MOS FET (Metal Oxide Silicon (Semiconductor) = MIS (Metal Isulatro Semiconductor) ? vodivý kanál



Tepelný senzor

Súčiastky s viacerými prechodmi

  • Dvojbázová dióda ? vývody emitor, báza1, báza2.
  • Diak
  • Tyristor ? Má tri elektródy, anódu A, katódu K a riadiacu elektródu G. Prepúšťa prúd iba v jednom smere ak je otvorený. Tyristor sa otvorí privedením malého kladného napätia/prúdu na riadiacu elektródu G. Po odpojení napätia na G ostáva tyristor stále otvorený, dokiaľ nie je vypnuté napätie medzi A a K. Tyristor sa využíva v obvode striedavého prúdu, na fázové (oneskorené) spínanie spotrebičov. Vypína sa vždy při prechode striedavého napätia/prúdu nulou.
  • Triak ? je to obojmerný tyristor. Má tri elektródy, anódy A1 a A2 a riadiacu elektródu G. Prepúšťa prúd v oboch smeroch. Otvorí sa privedením napätia/prúdu akejkoľvek polarity na G. Uzatvorí sa prechodom nulou při striedavom napätí/prúde medzi A1 a A2. Využitie podobné ako tyristor, ale v obvode stačí jeden.
  • Optoväzobné prvky ? obsahujú vysielač svetla, napríklad LED a spínací prvok citlivý na svetlo. Ovládacia časť (s LED) a ovládaná časť(prvok citlivý na svetlo) sú od seba galvanicky oddelené.
  • Transil, trisil

Osvetľovacie zariadenia

  • Žiarovky obsahujú volfrámové vlákno. Vyššiu účinnosť majú halogénové žiarovky, ktoré obsahujú halogénový prvok ktorý sa vyparuje a ochladzuje vlákno, ktoré pracuje na vyššej teplote.
  • Tlejivky ? pri tlaku pod 10 kPa vzniká při napätí niekoľko 100 V katódové žiarenie. Malý odber prúdu, mikroampére, použitie jako detektory napätia.
  • Žiarivky ? při nižšom tlaku vzniká silné anódové žiarenie vo forme úzkych spektrálnych čiar, dosahuje aj UVB. Preto je na vnútornom povrchu sklenej banky nanesená svietiaca látka ? luminofor. Podľa chemického zloženia luminofora môže mať žiarivka požadovanú farbu a spektrum. Žiarivky sa používajú na osvetľovanie priestorov alebo na podsvecovanie LCD televízorov.
  • Výbojky ? pri vysokom tlaku nastáva výboj při ionizácii plynu. Robí sa to obvykle odparením kovov, preto chvíľu trvá kým sa výbojka naplno rozsvieti. Výboj prebieha v ich parách, plyn kovu svieti. Používa sa sodík (biele svetlo) a ortuť (oranžové svetlo).
  • LED žiarovky ? množstvo LED diód uzatvorené v priesvitnej banke.

Výhody osvetľovacích zariadení: 1. žiarovka ? spojité spektrum = príjemné svetlo, 2. žiarivka ? 4 x menšia spotreba jako žiarovka, 3. výbojka ? veľký výkon ? osvetlenie hál a štadiónov, 4. LED žiarovka ? 10 x nižšia spotreba jako žiarovka, životnosť 7000 hodín, možno často zapínať.

Nevýhody osvetľovacích zariadení: 1. žiarovka ? veľká spotreba, životnosť stovky hodín, 2. žiarivka ? bliká = stroboskopický efekt nebezpečný vo výrobnývh halách, chudobné čiarové spektrum, 3. výbojka ? treba čakať pár minút kým sa rozsvieti, 4. LED žiarovka ? lacnejšie blikajú, vysoká cena.

Zobrazovacie zariadenia

  • CRT ? vákuová obrazovka, obsahuje elektrónové delo, vychyľovacie cievky, masku a tienidlo = zobrazovaciu plochu s farebnými luminoformi. Elektrónový lúč je vychyľovaný cievkami a po riadkoch vykresľuje obraz na tienidle. Obraz je rozložený na body.
  • Plazmová ? obsahuje sieťkomôrok v ktorých vzniká výboj, ktorý rozsvecuje farebné luminofory nad nimi. Spotreba elektriny na úrovni CRT, sýte farby, väčší kontrast.
  • LCD ? tekuté kryštály prepúšťajú polarizované svetlo ak sa na nich pripojí napätie. LCD obrazovka je podsvietená žiarivkami alebo LED diódami, obsahuje sieť farebných fitrov a LCD filtrov. Otvorením LCD filtra sa rozsvieti jeden farebný bod.
  • OLED ? organické LED

Otázky na opakovanie

  1. Aký je rozdiel medzi čistým polovodičom, polovodič typu N a typu P?
  2. Nakreslite vlotampérovú charakteristiku diódy.
  3. Nakreslite umerňovač striedavého prúdu pomocou diód a) jednocestný b) dvojcestný pre 1 fázu, c) dvojcestný pre 3 fázy.
  4. Nakreslite zapojenie bipolárneho tranzistora so spoločným emitorom.
  5. Za akých podmienok sa otvorí a uzatvorí tyristor a triak? Akým smerom prepúšťajú prúd?
  6. Aké vlastnosti má IGBT?
  7. Uveďte príklad použitia LED, LD, LCD, CCD?