3. Diody, tranzistory, tyristory, triaky, diaky. Použitá literatura: Jan Kesl: Elektronika I. a II. Internet

Transkript

1 3. Diody, tranzistory, tyristory, triaky, diaky Použitá literatura: Jan Kesl: Elektronika I. a II. Internet

2 Diody - polovodiče s 1 přechodem PN Princip: zapojíme-li monokrystal PN dle obr. elektrony(-) a díry(+) se budou chovat následovně: kladný U+ zdroje odpuzuje kladné díry (+) směrem k oblasti N a současně z druhé strany záporné napětí odpuzuje elektrony (-) do oblasti P přechod P-N je náhle zaplaven pohyblivými nosiči nábojů, takže jeho odpor se zmenší říkáme, že přechod P-N v propustném (vodivém) směru a prochází jím proud viz. Obr. Dioda v propustném stavu Zdroj:2

3 Dioda princip v závěrném směru Zapojíme-li monokrystal PN obráceně, elektrony(-) a díry(+) se budou chovat následovně: záporný U- zdroje přitahuje kladné díry (+) směrem od oblasti N a současně z druhé strany záporné napětí přitahuje elektrony (-) z oblasti P proud přechodem P-N nepřechází říkáme, že přechod P-N v závěrném (nepropustném) směru a neprochází jím proud rekombinace elektronů a děr viz. Obr. Dioda v závěrném směru Zdroj:2

4 Propustnost diody, značka dioda, elektrický proud v jednom směru propouští a v druhém nepropouští proto lze polovodičovou diodu využít k usměrňování střídavého proudu na proud stejnosměrný ve schématech se zakresluje značkou znázorněnou viz obrázek: Značka polovodičové diody zdroj: 2 vývod polovodiče P označujeme jako anodu A a vývod polovodiče N jako katodu K

5 VA charakteristika diody závislost proudu na přiloženém napětí Zapojením dle obr.: Měření VA charakteristiky zdroj:2 v propustním i závěrném směru získáme VA charakteristiku viz obr.: VA charakteristika zdroj 2 Parametry: I dmax maximální dovolený proud v propustném směru U dmax maximální závěrné napětí

6 Druhy diod Dle materiálu germaniové křemíkové Dle konstrukce hrotové plošné Dle použití usměrňovači stabilizační kapacitní diody varikapy fotodiody diody LED, atd

7 Ukázky diod viz obr.: zdroj: 3

8 Parametry diod prahové napětí,- je napětí, které je třeba přiložit na diodu, aby došlo k jejímu otevření (závisí na materiálu, např. u křemíku je 0,51 V, germania 0,28 V, u LED může dosahovat i 3 V.) maximální proud v propustném směruje maximální proud, který může diodou procházet bez jejího zničení ( U běžných malých diod je to obvykle 0,5 A.). dynamický odporje velikost odporu otevřené diody pro malý střídavý proud ( Je dán sklonem charakteristiky v propustném směru. Bývá malý.) maximální závěrné napětíje maximální napětí, které dioda v opačném směru udrží, aniž by se prorazila (U běžných, křemíkových diod se pohybuje od 50 V do 1500 V.) zbytkový proudje proud, který prochází diodou v závěrném směru

9 Otázky a úlohy 1. Nakreslete značku diody. 2. Vysvětlete princip činnosti diody v závěrném i propustném stavu. 3. Nakreslete VA charakteristiku. 4. Napište rozdělení diod dle materiálů, konstrukce a využití. 5. Uveďte hlavní využití diod.

10 Diody dle konstrukce: hrotová dioda wolframový nebo zlatý hrot je přitlačován pružinou k polovodiči typu N po přivedení elektrického impulz u na hrot se vytvoří v místě dotyku malá oblast typu P Princip diody viz obr.: zdroj:2 Konstrukce diody viz obr.: zdroj: 2

11 Diody dle konstrukce: plošná dioda kapka india se při vysoké teplotě vtaví do křemíkové destičky vytvoří plošný přechod PN - viz obr: Konstrukce plošné diody zdroj:2 Využití: plošné diody se používají hlavně v usměrňovačích střídavého proudu na stejnosměrný

12 Diody dle použití: Zenerovy, stabilizační Zenerovy diody jsou plošné křemíkové diody mají tenký přechodem PN mají typickou VA charakteristikou - viz obr.. Zenerova dioda značka a VA charakteristika zdroj: 2 vede proud v závěrném směru - jedná se o tzv. Zenerův průraz, není lavinovitý, takže se dioda nepoškodí

13 Využití Zenerových diod Využití : prudký nárůst závěrného proudu diodou se využívá při stabilizaci napětí Viz obr. VA charakteristika Zenerovy diody a obrázek Zenerovy diody Zdroj: 3

14 Varikapy kapacitní diody jsou speciální diody plošné, křemíkové diody které vykazují závislost kapacity přechodu na přiloženém napětí v závěrném směru Využití: při elektronickém ladění rezonančních obvodů Grafická značka varikapu viz obrázek zdroj: 2

15 jsou plošné diody Fotodiody mají okénko v pouzdru pro možnost osvitu přechodu PN světelným zářením účinkem světelných paprsků vlivem fotoelektrického jevu dojde v přechodu PN k uvolňování valenčních elektronů a tím ke zvětšení zbytkového proudu (dioda je zapojena v závěrném směru) pokud na ni nedopadá světlo, pracuje jako normální dioda Viz obr. Grafická značka fotodiody zdroj: 2

16 Diody LED- svítivé diody při průchodu proudu emitují diody LED (Light Emitting Diode - světlo emitující dioda) světelné záření průchodem elektronů v oblasti přechodu PN dochází k uvolňování fotonů - neboli vzniku světla Použití: na indikaci chodu elektronických zařízení, osvětlení Grafická značka LED diody viz obrázek zdroj:2 Obrázek LED diod zdroj:5

17 Otázky a úlohy 1. Jaké jsou druhy diod dle provedení? 2. Nakreslete VA charakteristiku, značku. vysvětlete princip a použití Zenerovy diody. 3. Nakreslete značku fotodiody a LED diody a vysvětlete rozdíl v činnosti. 4. V kterém případě bude obvodem procházet proud? (obr. zdoj: 2)

18 Bipolární tranzistory 2 přechody PN polovodičové součástky s 2 přechody PN bipolární využívají oba druhy nosičů elektrického náboje, tj. elektronů (-) a děr (+) unipolární využívají buďto jen elektronů (-), nebo jen děr (+) se skládá ze tří vrstev, které mají různé typy vodivosti P a N

19 Tranzistor NPN střední vrstva má vodivost typu P, a nazývá se báze (B) krajní vrstvy mají vodivost typu N nazývá emitor (E) a druhá kolektor (C) jedná se o tranzistor typu NPN Tranzistor NPN Viz obrázek zdroj: 2

20 Činnost tranzistoru uzavřený tranzistor Tranzistor má dva přechody PN: a to jednak emitorový přechod mezi emitorem a bází jednak kolektorový přechod mezi kolektorem a bázi Tranzistor uzavřený: emitorový přechod mezi bází B a emitorem E je zapojen v propustném směru kolektorový přechod mezi bází B a kolektorem C je zapojen v nepropustném směru tedy proud obvodem emitor - kolektor nemůže protékat, tranzistor je uzavřený Tranzistor uzavřený, viz obrázek zdroj: 2

21 Princip činnosti tranzistoru otevřený tranzistor po připojení U BE mezi B a E emitorový přechod je zapojen v propustném směru účinkem napětí U BE začnou volné elektrony proudit z emitoru do báze díky tenké vrstvě proudí až ke kolektoru C (U CE ) tranzistorem protéká proud protéká I C, přibližně se rovná I E I E = I B +I C Princip činnosti tranzistoru viz obr. Zdroj: 2

22 Bipolární tranzistor je součástka, která umožňuje malým proudům řídit větší proud si můžeme představit jako rezistor (s nožičkami kolektor C a emitor E), ktery měni svůj odpor tak, aby mezi E a C neprotekal větši proud, než je nasobek proudu, ktery teče do řidici nožičky - báze B Používá se jako spinač nebo jako zesilovač. Ukázka tranzistorů viz obrázek. Zdroj: 4

23 Otázky a úlohy 1. Co je tranzistor? 2. Vysvětlete princip tranzistoru. 3. Co je emitor, báze kolektor? 4. Co je emitorový a co kolektorový přechod? 5. Kolik vývodů tranzistor?

24 Základní zapojení tranzistoru - princip (SE) vstupní a výstupní obvod napájen stejnosměrným napětím z důvodu jednoduchosti znázornění činnosti tranzistoru je na obrázku vlevo UBE bez vstupního předřadného odporu RB by došlo k zničení tranzistoru zjednodušené a praktické zapojení tranzistorového zesilovače se společným emitorem SE kde UBE a UC je napájen ze stejného zdroje UN - UCE pomocí předřadných odporů RB a RC viz obrázky zdroj: 2

25 VA charakteristika tranzistoru Obrázek VA charakteristiky tranzistoru zobrazuje závislost kolektorového proudu IC na napětí UCE při konstantním proudu IB zdroj:2

26 Tranzistor typu NPN a PNP tranzistory dle uspořádání vodivých oblastí dělíme na NPN a PNP NPN musí mít na C (kolektoru) vždy (+) napětí a PNP vždy (-) napětí Není-li toto dodrženo tranzistory se zničí. Princip, označení a značka NPN a PNP viz obrázky. zdroj: 2

27 Výhody: Výhody a nevýhody tranzistorů vůči nepotřebují žhaveni menší rozměry podstatně delší životnost velká otřesu vzdornost menší napájecí napětí větší účinnost jednodušší odvod tepla u výkonových tranzistorů elektronkám Nevýhody: mají parametry závislé na teplotě jsou náchylné na přetížení mají zbytkový proud při jaderném ozářeni ztrácejí funkčnost

28 Otázky a úlohy 1. Jaké znáte základní zapojení tranzistoru SE? 2. Nakreslete VA charakteristiku, značku. vysvětlete princip činnosti tranzistoru. 3. Nakreslete schéma zapojení a značku PNP tranzistoru a vysvětlete princip. 4. Nakreslete schéma zapojení a značku NPN tranzistoru a vysvětlete princip. 5. Vyjmenujte alespoň 3 výhody použití tranzistorů oproti elektronkám. 6. Na co se hlavně využívají?

29 Tyristor - řízený usměrňovač 3PN přechody polovodičová součástka s 3 přechody PN má řídící elektrodu: G- gate, A-anoda, K-katoda není-li na G napětí, proud neprotéká na G: U G >0, NP vodivý, stačí krátký impulz struktura a grafická značka viz obrázek zdroj:2

30 Princip činnosti tyristoru a VA charakteristika Princip činnosti : viz obrázek zdroj: 2 přivedením kladného impulzu na G se tranzistor T 2 otevře jeho kolektorový proud budí bázi T 1, který se tím otevře a tak zajistí trvalé nabuzení T 2 řídicí elektroda G přestává mít vliv na děj v tyristoru VA-tyristoru viz obrázek zdroj:2

31 Triak - obousměrný triodový tyristor s 4 přechody PN s pětivrstvou strukturou PNPNP a s čtyřmi přechody PN triak vznikne vnitřním uspořádáním tzv. antiparalelního zapojení dvou tyristorů --viz obrázek, princip a značka zdroj:2

32 Triak VA charakteristika dva antiparalelně zapojené tyristory, které mohou proto propouštět proud v obou směrech nahrazují triak využití: obousměrný řízený usměrňovač propustnost triaku v obou směrech vyjadřuje VA charakteristika triaku viz obrázek VAcharakteristiky zdroj:2

33 Diak 2 PN přechody diak je součástka se třemi vrstvami různého typu vodivosti, u které mohou oba přechody PN pracovat v lavinovitém průrazu nemá řídicí elektrodu a je spínaný přiloženým napětím dosáhne-li napětí na diaku spínacího napětí U B0, nastane nedestruktivní průraz závěrně polarizovaného přechodu a diak sepne do vodivého (propustného) stavu diak se používá v zapínacích a řídicích obvodech triaku

34 Diak struktura, značka, VA charakteristika Struktura a grafická značka obr. zroj:2 VA charakteristika obrázek zdroj:2

35 Otázky a úlohy 1. Co je tyristor? K čemu se využívá? 2. Vysvětlete činnost tyristoru, nakreslete značku. 3. Co je triak? K čemu se využívá? 4. Vysvětlete činnost triaku, nakreslete značku. 5. Co je diak? K čemu se využívá? 6. Vysvětlete činnost diaku, nakreslete značku.

36 Optoelektronika spojení optiky a elektroniky Optoelektronické prvky se dělí: optoelektronické zdroje světla (LED, laserová dioda) fotosenzory (fotodioda, fototranzistor, plošné senzory, (např. CCD)) modulátory Hlavní využití optoelektronických prvků : při snímání a zobrazení obrazu (např. v televizní technice) osvětlení a signalizaci při přenosu informací (prostřednictvím optických vláken) nebo vzduchem - optické čtečky kódů, myš

37 Viditelné světlo je elektromagnetické záření o vlnové délce nm Tři základní vlastnosti světla: (elektromagnetického vlnění) svítivost (amplituda) barva (frekvence) polarizace (úhel vlnění) světlo má vlastnosti jak vlnění tak částice

38 Barva a vlnová délka Různé frekvence světla vidíme jako barvy: od červeného světla s nejnižší frekvencí a nejdelší vlnovou délkou po fialové s nejvyšší frekvencí a nejkratší vlnovou délkou viz obrázek Barevné spektrum zdroj: 1

39 Měření světla Následujícími veličinami popisujeme světlo: jas (nebo teplota SI: o K) osvětlení (jednotka SI: lux) světlený tok (jednotka SI: lumen) svítivost (jednotka SI: kandela) Světlo můžeme také popsat pomocí těchto veličin: amplituda barva (nebo frekvence) polarizace (úhel natočení)

40 Zdroje světla sálání tepla (záření černého tělesa) žárovka, sluneční světlo záření plazmatu (oheň, oblouková lampa) laser (stimulovaná emise) světlo LED diody plynové výbojky luminiscence - u obrazovek

41 Využití světla v mnoha přístrojích ( LCD obrazovkách, DVD přehrávačích, mobilních telefonech) s pomocí světla se svařuje i řeže, nebo třeba operuje solární panely - fotovoltaické články jako zdroje el. energie přenos a snímání informací (optické kabely, snímače, ovladače TV) snímání obrazové informace v CCD čipech

42 Solární panel - mění světelnou energii na elektrickou je tvořený solárními fotovoltaickými články mohou být tvořeny polovodičovými nebo organickými prvky, které mění světelnou energii na elektrickou fotoelektrický efekt - vznik volných elektrických nosičů dopadem záření celkově se daří za pomoci křemíkových solárních panelů přeměnit v elektrickou energii jen asi 17 % energie

43 Princip fotovoltaického článku strana obrácená ke slunci je typu N, zadní strana je typu P dopadající záření uvolňuje z mřížky elektronyvznikají páry elektron-díra elektrony jsou vnitřním elektrickým polem rozdělovány tak, že na horní vrstvě vzniká přebytek elektronů a na dolní nedostatek elektronů na PN přechodu vzniká rozdíl potenciálů tj. elektrické napětí propojíme-li horní a spodní stranu článku přes spotřebič (např. žárovku) - obvodem protéká elektrický proud pro účinný odvod elektronů je na horní straně umístěna kontaktní mřížka a na spodní straně kontaktní plocha Princip činnosti viz obrázek: zdroj: 1

44 Fotoelektrický jev - fotoefekt je fyzikální jev, při němž jsou elektrony uvolňovány (emitovány) z látky nejčastěji (z kovu)v důsledku působení elektromagnetického záření (např. rentgenového záření nebo viditelného světla) emitované elektrony označujeme jako fotoelektrony a jejich uvolňování se označuje jako fotoelektrická emise (fotoemise) Princip fotoemise viz obrázek: zdroj: 1

45 Fototranzistory a fotodiody polovodičové součástky Fototranzistor je polovodičová elektronická součástka s 2 přechody PN. Princip činnosti: dopadajícím zářením do kolektorového PN přechodu se otevře přechod mezi bází a emitorem. tranzistor se otevře a prochází jím proud z připojeného zdroje průchod nosičů náboje lze řídit velikostí dopadajícího záření Fotodioda je plošná polovodičová dioda konstrukčně upravená tak, aby do oblasti PN pronikalo světlo. Princip činnosti: není-li přechod osvětlen, má VA charakteristika stejný průběh, jako charakteristika běžné diody vliv osvětlení přechodu můžeme sledovat v polarizaci diody v závěrném směru, kdy dochází k lineárnímu růstu anodového proudu při rovnoměrném zvětšování osvětlení dioda se tedy chová jako pasivní součástka, jejíž odpor v závěrném směru je závislý na osvětlení fotodioda reaguje na změny osvětlení velmi rychle, řádově s

46 Otázky a úkoly Co je optoelektronika? Co je světlo? Vyjmenujte 3 základní vlastnosti světla. Vyjmenujte 3 zdroje světla a jeho využití. Vysvětlete princip solárního panelu a jeho využití. Co je fotoefekt? Vysvětlete princip. Vysvětlete rozdíl v činnosti diody a fotodiody, tranzistoru a fototranzistoru