Evropský polytechnický institut, s.r.o. 1. soukromá vysoká škola na Moravě Kunovice. Elektronika I. (pracovní materiál)

Transkript

1 Evropský polyecnický insiu, s.r.o.. soukromá vysoká škola na Moravě Kunovice Elekronika I. (pracovní maeriál) 03

2

3 3 Elekronika I Vydavael, nosiel auorskýc práv, vyrobil: () Evropský polyecnický insiu, 03 ISBN

4 4

5 9

6 0 Obsa ZÁKLADNÍ ELEKTONIKÉ PVKY...9. EZISTOY Pevné vrsvové rezisory..... SMD rezisory Pevné dráové rezisory ezisory s více, než dvěma vývody...3. KONDENZÁTOY Konsrukce pevnýc kondenzáorů Kondenzáory s proměnnou kapaciou....3 ÍVKY Konsrukce cívky Základní výpočy cívky TANSFOMÁTO POLOVODIČOVÁ DIODA Základní pojmy Vznik a vlasnosi PN přecodu Ampérvolová carakerisika diody Druy polovodičovýc diod Scemaické určení časovéo průběu usměrněnéo proudu Sřední odnoa usměrněnéo napěí a proudu Sřídavá složka usměrněnéo napěí, zvlnění Sériové a paralelní řazení diod Aplikace Elekronický obvod ZÁKLADNÍ POJMY A JEJIH VYSVĚTLENÍ OTÁZKY: KONSTKČNÍ ÚLOHY...74 ZDOJE STEJNOSMĚNÉ ELEKTIKÉ ENEGIE O TO JE ELEKTIKÝ ZDOJ A JEHO FNKE V ELEKTIKÉM OBVOD STEJNOSMĚNÉ, STŘÍDAVÉ, PLSNÍ A OSTATNÍ ZDOJE MONOČLÁNKY A PLOHÉ BATEIE Monočlánky Spojování monočlánků baerie ZÁKLADNÍ PAAMETY STEJNOSMĚNÝH ZDOJŮ MĚŘENÍ ZATĚŽOVAÍ HAAKTEISTIKY STEJNOSMĚNÉHO ZDOJE TVDOST STEJNOSMĚNÉHO ZDOJE SÍŤOVÉ NAPÁJEÍ ZDOJE PO ELEKTONIKÁ ZAŘÍZENÍ Jednocesný usměrňovač odporové zaížený Dvojcesný Graezův usměrňovač s odporovou záěží (můskové zapojení) Zapojení se zdvojeným sekundárním vinuím síťovéo ransformáoru SMĚŇOVAČE SE SBĚAÍM KONDENZÁTOEM Jednocesný usměrňovač se sběracím kondenzáorem Dvojcesný můskový usměrňovač se sběracím kondenzáorem Dvoucesný usm. se zdvojeným vinuím síťovéo ransf. a sběracím kond Zdroje souměrnéo napěí Násobiče (kaskádní, podle Villarda) FILTY STABILIZAE NAPĚTÍ Sabilizáor napěí se Zenerovou diodou (paramerický sabilizáor)... 05

7 .0. Sabilizáor napěí s ranzisorem Inegrované sabilizáory Elekronická pojiska.... POŽITÉ VÝAZY S PŘEKLADEM A JEJIH STČNÝ POPIS TANZISTO ZÁKLADNÍ POJMY BIPOLÁNÍ TANZISTO JAKO SPÍNAČ PNP a NPN ranzisor Základní zapojení bipolárnío ranzisoru jako spínače Zbykové proudy bip. ranzisoru, proudový zesilovací činiel, ss car Měření vsupní a výsupní carakerisiky v zapojení SE Nasavení pracovnío bodu ranzisoru Řešení saurace (nasycení) Mezní paramery bipolárníc ranzisorů Ocrana přecodu BE Časové posupy vypínání spínače s odporovou záěží Spínač s indukivní a kapaciní vazbou VYŽITÍ BIPOLÁNÍHO TANZISTO JAKO ZESILOVAČE Přeměna akusickéo signálu na elekrický a opačně Základní zapojení ranzisoru jako zesilovače malýc sřídavýc signálů Sabilizace pracovnío bodu ranzisoru Volba pracovnío bodu zesilovače sřídavýc signálů Saická a dynamická zaěžovací přímka Sřídavé paramery ranzisoru Mezní kmiočy, šum a mezní odnoy ranzisoru ZESILOVAČE ELEKTIKÝH SIGNÁLŮ Zesilovače napěí, proudu a výkonu Impedanční ransformáor Nejvýznamnější paramery zesilovačů Linearia a zkreslení zesilovače Zesilovač a zesilovací supně Mikrofonní zesilovač Směšovací supně Budicí zesilovač Korekce loubek a výšek (korekční předzesilovač) eguláor vyvážení s využiím změny zesílení kanálů Ekvalizér Nasavení lasiosi Výkonový zesilovač, zv. koncový supeň VÝKONOVÉ ZESILOVAČE S INTEGOVANÝMI OBVODY TYISTO TIAK DIAK... 3

8 7 Sudijní cíle Po absolvování ooo učebnío exu budee scopni: Hleda ecnické informace o elekronickýc prvcíc v kaalozíc. rči sejnosměrné a sřídavé napěí. Zobrazi sejnosměrné a sřídavé napěí na osciloskopu. Tvoři elekronické obvody s ransformáorem. Tvoři elekronické obvody s diodou. Používa lačíka, vypínače, pojisky, relé a sykače. Vyvoři π filr L. Konsruova obvody a sesavova rozpoče. Sručně popsa obvody v jazyku anglickém. Řeši úloy v ýmu. Pracova s odbornou lieraurou. Nakresli scemaickou značku rezisoru kondenzáoru cívky a lumivky ransformáoru diody Pocopi rozdílné cování kovů a polovodičů v důsledku jejic rozdílnýc druů vazeb mezi jednolivými aomy krysalu. Pocopi, proč kov vede vždy a proč polovodič jen při dosaečně vysoké eploě, nebo při dodání dosaečnéo množsví příměsi. Pocopi, jak lze využí doace povrců enkýc polovodičovýc desiček donory a akcepory k výrobě polovodičovýc prvků, jako jsou diody, ranzisory, yrisory, riaky, diaky ad. Seznámíe se s dalšími vlasnosmi PN přecodu. ápa a správně používa údaje uvedené v kaalogu diod. mě vysvěli, změři a použí v praxi volampérové carakerisiky, včeně její eploní závislosi. Pocopíe důvod komuace diody. Pocopíe význam clazení diody. Naléz druy prvků a vypočía cenu elekronickéo zařízení. V jazyce anglickém popsa obvody. Nakresli průběy napěí v obvodec a na elekronickýc prvcíc. Nakresli obvodová řešení pro měření elekronickýc prvků. Konsruova jednoducá elekronická zařízení. Členi zdroje na sejnosměrné a sřídavé. Měři a využíva zdroje podle základníc paramerů ( 0, I k, i, zaěžovací carakerisika), posoudi vrdos zdroje. Nakresli scéma a měři zaěžovací carakerisiku. Využíva výod řazení zdrojů a eliminova nevýody. ápa, jak zpracuje elekrickou energii kondenzáor, cívka a ransformáor. Vypočía a urči časovou konsanu τ obvodu. Zkonrolova fázi, nulový a ocranný vodič u zásuvky. Znalos základníc pojmů v anglickém jazyce. Na šíku naléz výrobce zdroje elekrické energie, urči ecnické paramery a ceny. Navrnou a sesavi výukový panel pro uo kapiolu. Navrnou sandardizovaný elekronický prookol k měření. Popsa rozčlenění ranzisorů. Popsa a vyleda odpovídající cladič ranzisoru. Použí přecody PN ranzisoru. Sesavi a popsa činnos blokovéo a obvodovéo scémau ranzisoru jako spínače. Nakresli a popsa paramery zapojení bipolárnío ranzisoru (SE, SB, S). 7

9 8 Ověři funkčnos ranzisoru. Popsa různá ecnická zapojení ranzisoru, včeně popisu v cizím jazyce. Správně polarizova kondenzáory a baerie u NPN a PNP ranzisoru. Popsa a použí Darlingonovo zapojení. Navrnou, popsa a sesavi obvod pro zvýšení cilivosi relé. Navrnou, popsa a sesavi obvod spínače s fooodporem. Navrnou, popsa a sesavi obvod jako senzorový spínač. Navrnou, popsa a sesavi obvod jako senzorové lačíko. Navrnou deekor vlkosi. Nakresli a vysvěli blokové scéma sesavy. Popsa konsrukci a použií ranzisoru. Nakresli směrové carakerisiky mikrofonu. Popsa a využíva prvky připojení mikrofonu k zesilovači, včeně zapojení konekorů. Popsa ecnické řešení reprodukorů, včeně kmiočové a směrové carakerisiky. Popsa rozdělení zesilovačů. Popsa blokové scéma zesilovače. Popsa paramery zesilovače. Popsa a nakresli způsoby nasavení pracovnío bodu ranzisoru. Popsa a nakresli řídy zesilovače. Popsa a nakresli kompenzační obvody ranzisoru. Popsa činiel sabilizace. Popsa a nakresli emiorový sledovač. Popsa a nakresli dvousupňový zesilovač. Popsa a nakresli dvojčinný mikrofonní zesilovač. Popsa korekci loubek a výšek. Popsa ekvalizér. Popsa nasavení lasiosi. Nakresli a popsa plynule regulovaelný zdroj s ranzisorem. Nakresli a popsa zdroj konsannío napěí s ranzisorem. Popsa funkci a nakresli carakerisiky yrisoru. Nakresli a popsa obvody s využiím yrisoru. Popsa vlasnosi a využií diaku. Popsa vlasnosi riaku. Popsa využií riaku. 8

10 9 Základní elekronické prvky. ezisory ezisor je elekronická součáska, jejíž základní vlasnosí je odpor definovaný velikosí v Ω (omec). Elekroecnická značka: ezisory Se dvěma vývody S řema a více vývody Pevné vrsvové rezisory (T) Pevné dráové rezisory (T) Děliče s pevně nasavielným poměrem (rimry, TP) Děliče s plynule proměnným dělícím poměrem (poenciomery, TP) Z ecnologickéo lediska členíme rezisory na: Vrsvové Dráové Výrobce: Přeled rezisorů, rimrů a poenciomerů, jejic ecnické a konsrukční paramery lze naléz v konsrukčníc kaalozíc. Přeled cen jednolivýc součásek lze naléz v obcodním kaalogu. Někeré kaalogy jsou i na inerneovýc sránkác: kázka inerneovýc obcodníc kaalogovýc sránek ( nebo přímo u výrobců Tesla, Panasonic, AVX ena rezisorů záleží na jejic zařazení do řad, oleranci, zráovém výkonu rezisoru a ecnickém provedení (vrsvový, dráový, SMD). eny jsou uváděny obvykle v kaalozíc obcodníc firem, moou se vzájemně liši i pro sejný yp. Záleží věšinou na vzazíc výrobce odběrael, obcodník zákazník 9

11 0 ČSN Jmenoviý odpor rezisorů: Jmenovié odnoy rezisorů jsou normalizovány do řad, z nicž jsou nejpoužívanější E6, E, E4, E48, E96 a E9. E6:,5, 3,3 4,7 6,8 E:,,5,8,,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 8, E 4:,,,3,5,6,8,0,,4 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5, 5,6 6, 6,8 7,5 8, 9, 0 Jmenoviá 9 odnoa Pozice prvku v E4 Tolerance jmenoviéo odporu: Podle olerance jmenoviéo odporu se rezisory řadí do skupin, označenýc písmeny nebo barevným kódem. Vyznačuje se za údajem jmenoviéo odporu. ± 0 % bez označení nebo M (používají se ve spořební elekronice) ± 0 % označeno K ± 5 % označeno J ± % označeno G ± % označeno F ± 0,5 % označeno D ± 0,5 % označeno ± 0, % označeno B Pro odnoy s odcylkou ± 0,% a ± 0,% se doporučují odnoy z řady E9. Tolerance v řadác: v E6 je ± 0% v E je ± 0% v E4 je ± 5% Každá číselná řada obsauje různý poče prvků. E6 má 6 prvků, E má prvků, E4 má 4 prvků ad. Označení rezisorů: Číselné označení odporu rezisorů: Např.: 0 0 Ω K7 700 Ω K Ω 33K Ω M 00 kω M Ω Velmi přesné rezisory. Používají se v měřicíc obvodec. 0

12 Barevné značení rezisorů: 5,6 kω 5%±,7 kω 5%± olerance násobiel. číslice. číslice 3,9 kω 5%±. číslice. číslice násobiel Tolerance 0 černá 0 0 černá ± 0% bez proužku nědá nědá 0 nědá ± 0% sříbrná červená červená 0 červená ± 5% zlaá 3 oranžová 3 oranžová 0 3 oranžová ± % červená 4 žluá 4 žluá 0 4 žluá ± % nědá 5 zelená 5 zelená 0 5 zelená ± 0,5% zelená 6 modrá 6 modrá 0 6 modrá ± 0,5% modrá 7 fialová 7 fialová 0 7 fialová ± 0,% fialová 8 šedá 8 šedá 0 8 šedá 9 bílá 9 bílá 0 9 bílá 0 zlaá 0 sříbrná ezisor uvedený na ilusračním obrázku má edy odnou,7 kω s olerancí jmenovié odnoy ± %. Omův zákon Procázíli rezisorem s odporem elekrický proud I, vzniká na odporu napěí..i [V, Ω, A] Výkonové zaížení rezisoru: Procázíli rezisorem elekrický proud, vzniká v něm eplo. Mění se éž odnoa odporů. 0 α kde odpor rezisoru při dané eploě 0 odpor rezisoru při eploě 0 α eploní součiniel odporu [K ] rozdíl eplo [K] α u 3, K α Al 3, K α Fe 4, K α konsanan 0, K Vzniklé eplo musí povrc rezisoru bezpečně odvés. Proo se rezisory dělí do skupin podle jejic zráovéo výkonu (0,5 W, 0,5 W, W, W...): P.I kde napěí na rezisoru I proud rezisoriem

13 .. Pevné vrsvové rezisory ezisory s odporem věším než 4 kω, mají délku odporové vrsvy zvěšenu vybroušením drážky ve varu šroubovice. Odporová vrsva ulíková mealizovaná (kovové kysličníky, sliiny) Keramické nosné ělísko Přívody (pocínované dráy) Lak Kovová čepička Použií vrsvovýc rezisorů: Snižování elekrickéo proudu obvodem V děliči napěí pro získání nižšío napěí měřicíc přísrojů jako bočníky nebo předřadné odpory Vrsvové rezisory.. SMD rezisory pevnění rezisorů na desce plošnýc spojů (verikální, orizonální) Jsou o miniaurní součásky, keré nemají dráové vývody, ale pouze kovové plošky, pomocí kerýc se součáska připájí na plošný spoj. Používají se zejména pro úsporu mísa na deskác s velkým obsaem elekronickýc součásek. V SMD provedení se vyrábí éměř všecny elekronické součásky (kondenzáory, diody, ranzisory ).

14 3 SMD rezisor Číselné značení Číselné značení se skládá ze ří nebo čyř číslic, kde první dvě nebo ři číslice určují odnou odporu a poslední číslice předsavuje násobiel. Je o obdoba čárovéo kódu. Teno yp značení se používá pro popis rezisorů SMD pro povrcovou monáž (Surface Moun Device). SMD rezisory..3 Pevné dráové rezisory Jsou navinuy z odporovéo vodiče jeož povrc je smalovaný. Nebývají samonosné konsrukce, věšinou bývají navinuy na keramickém ělísku různéo varu. Smal povrcové úpravy snese až několik se. lazení je sáláním. Nevýodou je par aziní indukčnos, akže se odí jen do obvodů sejnosměrnýc, nebo s nízkou frekvencí (kolem 50 Hz). Odporový vodič Tmel, smal Dráové rezisory l ρ. S [ ] Ω ρ měrný odpor dráu [Ω.m] l délka použiéo dráu [m] S průřez použiéo dráu [m ]..4 ezisory s více, než dvěma vývody ezisor s odbočkou: 3 3 Odbočka rezisoru ezisor s odbočkou slouží jako dělič napěí. 3

15 4 Poenciomer: Poenciomer umožňuje uživaeli plynule nasavi jeo odnou (odpor) nebo dělicí poměr. 3 3 Oočný poenciomer Posuvný poenciomer Definice: Použií posuvnéo poenciomeru Odporový rimr: Odporový rimr jemně nasavuje dělicí poměr při nasavování elekronickýc obvodů. Dělič napěí: Použií poenciomeru v obvodu r r Odporové rimry Úkol: Napiše maximální a minimální možnou odnou r, jaké lze dosánou u rimru. Použií rimru v obvodu 4

16 5 Lineární, logarimické a exponenciální poenciomery: Dělící poměr A 0,8 A Exponenciální E Lineární N 0,6 0,4 Logarimický G 0, Využií: Například exponenciální poenciomer se využívá pro regulaci veličin, keré závisí na napěí logarimicky (lasios). Tyo veličiny se poom regulují v závislosi na oočení osy. Z konsrukčnío lediska jsou ješě vyráběny odbočky např. v /3, /3 odporové dráy. Sériové řazení rezisorů I 3 N 3 N 3... Při N sejnýc rezisorec : N. I Poloa běžce N N N i N i N N i i α [ ] Paralelní řazení rezisorů I I I N N G G G......G N N N G i N i i i elková vodivos je dána součem všec vodivosí. 5

17 6 Pro N sejnýc rezisorů : N Pro dva paralelní rezisory, plaí:. elkový proud: I I I... I N I N i i I. I I... I Měření odporu rezisorů N N A V I Popiše princip měření a výpoče odporu rezisoru:. Kondenzáory.. Konsrukce pevnýc kondenzáorů Kondenzáor je elekronická součáska, jejíž základní vlasnosí je kapacia definované velikosi ve F (faradec). Elekroecnická značka: Záporný pól Přívod Kladný pól Dielekrikum Dielekrikum Kovový pásek Vodivé elekrody Přívod Hliníkový obal mělomoná izolace Elekrolyický kondenzáor Kapacia je scopnos akumulace elekrickéo náboje Q. Vza mezi napěím a nábojem Q je Q. je zde konsana úměrnosi. Kondenzáor s kapaciou a napěím přiloženým na jeo svorkác (deskác) v sobě romadí náboj Q. 6

18 7 Pro nabíjení kondenzáoru plaí: Proud kondenzáoru je přímo úměrný změně napěí na jeo svorkác. Připojímeli ke kondenzáoru sejnosměrný zdroj (napěí), vznikne přecodový jev a obvodem eče proud, pořebný k nabií kondenzáoru. Po nabií již proud neeče. Znamená o, že sejnosměrný proud kapacior nepropouší. Příklad: Vypočěe kapaciu blokovacío kapacioru pro inegrovaný obvod M68H, víeli, že maximální povolené zvlnění napájení je 0, V při impulsní spořebě 0, A. Doba proudovéo impulsu je 0ns. Řešení: Každá akivní součáska v číslicovém obvodu má při překlápění mezi logickými úrovněmi po určiou dobu zvýšenou (impulsní) spořebu. Ampliuda a délka proudovéo impulsu se liší podle ypu součásky. Vzledem k omu, že délka impulsu je srovnaelná se zpožděním průcodu proudu na plošném spoji od napájecío zdroje k součásce, je nuné u každéo číslicovéo obvodu vyvoři lokální zdroj elekrické energie pro pokryí jeo impulsní spořeby. K omu se používá kapacior, kerý musí bý umísěný co nejblíže k napájecím du vývodům obvodu. Jedná se o ypickou úlou výpoču kapaciy podle vzorce I. : dq d I d d I d d 0, 0, [ ] F d ε.s d ε permiivia dielekrika S ploca desky d vzdálenos desek ε ε 0. ε r kde ε 0 dielekrická konsana vakua ε 0 8,85. 0 [F.m ] ε r relaivní dielekrická konsana ε r vzducu n ( n ) Popis cování kondenzáoru v elekrickém obvodu sejnosměrnéo zdroje: I v v rozepnu v sepnu τ i I I max V 7

19 8 Popiše činnos obvodu: I max i v i vniřní odpor zdroje v odpor vedení Úkol:. Vypočíeje maximální proud ekoucí obvodem, jeli odpor vedení v 0, Ω a je: a) napájen plocou baerií s vniřním odporem i 0,5 Ω a napěím 4,5 V b) napájen z akumuláoru s vniřním odporem i 0,05 Ω a napěím V Časová konsana τ je rovna: τ. Napiše definici časové konsany: Měření časové konsany τ: τ Generáor obdélníkovéo průběu Osciloskop Úkol: Vypočíeje τ, jesliže bude Ω a 00 µf v zapojení podle předcozío obrázku. Náboj kondenzáoru: I Q. I. Q náboj kondenzáoru [] nabíjecí napěí [V] I nabíjecí proud [A] čas nabíjení [s] Q Q 8

20 9 Sériová spojení kondenzáorů: N N... N N i i Pro dva kondenzáory: Definice: Pro N sodnýc kondenzáorů: N... N... N N Q Definice: Paralelní řazení kondenzáorů: Q Q N Q N... N N i i Pro N sodnýc kondenzáorů: N. elkový náboj: Q Q Q... Q Q Q Q N... N i Q N N Q Energie nabiéo kondenzáoru: W Q W uložená energie [Ws]... napěí kondenzáoru [V] Q odpovídající náboj [] i Definice: Definice: Definice:

21 30 ozdělení kondenzáorů Typy kondenzáorů Vzducové S papírovým dielekrikem S mealizovaným papírovým diel. S plasickou fólií Slídové Keramické Elekrolyické Provedení kondenzáorů Pevné S proměnnou kapaciou Pevné kondenzáory: Dvě liníkové fólie, odělené speciálním kondenzáorovým papírem (ε r 4 7) Kondenzáory s mealizovaným papírem: Kondenzáorový papír má na obou sranác nanesenou liníkovou vrsvu. ozsa kapaciy kondenzáorů: sovky pf sovky nf Kondenzáor s plasickou fólií: Dielekrikum voří plasická fólie o loušťce 5 až 0 µm (polysyrén, eflon, erylen). ozsa kapaciy kondenzáorů: jednoky nf jednoky µf Slídové kondenzáory: Kvaliní, malý činiel zrá, přesné, eploně málo závislé ad. ozsa kapaciy kondenzáorů: jednoky pf desíky nf Slídová desička Napařená (nasříkaná) sříbrná vrsva Keramické kondenzáory: Dielekrikum voří keramická vrsvička. Výsledkem jsou velice nízké dielekrické zráy. Typy: erčové desičkové diskové polšářkové (plocé) rubičkové průcodkové ozsa kapaciy kondenzáorů: cca jednoky pf sovky nf Lze se s nimi seka éměř v každém spořebním elekronickém zařízení. Jsou snadno vyrobielné, mecanicky pevné a mají nízkou pořizovací cenu 30

22 3 kázka inerneovýc kaalogovýc sránek ( Elekrolyické kondenzáory: Dielekrikum voří enká vrsva kysličníku. Kovová elekroda musí bý vždy kladně nabiá. Přepólování změní kondenzáor na rezisor s malou odnouou odporu. Elekroly může bý pevný i ekuý. ozsa kapaciy kondenzáorů: cca µf 0 mf Tanalové kondenzáory: Vysoce sabilní a kvaliní kondenzáory. ozsa kapaciy kondenzáorů: cca desíky µf Nám nejméně vzdálený výrobce kondenzáorů je společnos AVX zec epublic s.r.o., erské Hradišě, kerá vyrábí kondenzáory keramické, analové Mezi další výrobce kondenzáorů paří: Pilips, Siemens, Moorola 3

23 3.. Kondenzáory s proměnnou kapaciou V někerýc elekronickýc zařízeníc pořebuje uživael mí možnos měni kapaciu kondenzáoru. Mluvíme o ladicím kondenzáoru. oor Vana desky Typy dielekrika: Vzduc Slída Olej, ad. Kapacia v řádu pf (5 500 pf). Vyrábí se jako dvojié i rojié. Ladicí kondenzáor Ve výrobě dolaďujeme kapaciu pomocí jemně nasavielnýc, zv. dolaďovacíc kondenzáorů. Trubkové provedení: Skleněná nebo keramická rubička Šroubovací elekroda kovová ozsa: 0,3 pf 0,8 5 pf 7,5 pf,5 4 pf Sříbrná vrsva Maximální provozní napěí je 00 až 400 V. Kapaciní rimr kázka inerneovýc kaalogovýc sránek ( Paramery kondenzáorů: jmenoviá odnoa kapaciy jmenovié napěí přesnos zráový činiel g δ eploní součiniel kapaciy izolační odpor 3

24 33 Úkol: Dopiše, jak vzniká:. kapacia samosanéo vodiče vůči jinému vodiči. kapacia zařízení vůči zemi Měření kondenzáorů Provádí se pomocí kapacinío můsku, kde se snažíme docíli jeo rovnováy. ~ x n V Pomocí kapaciní dekády n vyvážíme můsek ak, aby volmer ukazoval nulovou výcylku. Hodnou kondenzáoru X odečeme z kapaciní dekády. Kondenzáory a jsou sejné. kázka kondenzáoru na desce plošnýc spojů: Připojení radiálnío a axiálnío kondenzáoru.3 ívky.3. Konsrukce cívky ívka je elekronická součáska, jejím základní vlasnosí je indukčnos L definované velikosi. I L L I Z v rozepnu v sepnu I z I L I Lmax v I I max I L max L z L odpor cívky Z odpor záěže 33

25 34 Bez jádra ůzné druy cívek Scemaická značka cívky bez jádra: Pozn: Každý vodič má edy svoji indukčnos L NF indukčnos při nízkém kmioču [H] L l NF l(ln 0, 75 ). 0 rd 9 l L l(ln ). 0 HF rd 9 L HF... indukčnos při vysokém kmioču [H] l délka vodiče [cm] d r D poloměr dráu [cm] Indukčnos cívky L n.µ 0.µ r S. l m [ H ] [ ] V.s [ A] n poče záviů µ 0 permeabilia vakua, [H.m ] µ r relaivní permeabilia S ploca [m ] l m sřední délka siločáry [m] 34

26 35 Indukčnos dvojiéo vedení a 9 L l( 4.ln ).0 [ H ] NF rd a sřední vzdálenos vodičů [cm] a r d L HF l( 4.ln a r D ).0 9 [ ] H l Koaxiální vedení: rm LNF l(ln 0,5 ).0 r D rm 9 L l(ln ).0 [ H ] HF rd r M... vniřní poloměr plášě [cm] Vodič proi zemi: L.l.ln.0 r D 9 [ ] H 9 [ ] H l r D d r d r [cm] [cm] l [A] L [H] r M vzdálenos vodiče od vedení [cm] Jsouli yo záviy navinuy na kosřičce, nebo je vodič ak vrdý, že drží var sám, členíme cívky na: Vzducové samonosné, nebo vinué na kosřičce S jádrem Tvar záviu (kruový, čvercový, obdélníkový), poče záviů a poče vrsev záviů (jednovrsvové cívky, vícevrsvové cívky), maeriál a var jádra a aké magneické vlasnosi okolí cívky ovlivňují indukčnos cívky. o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o ívka bez jádra a s EI jádrem ívka je využívána ve sřídavýc obvodec, proože je překážkou pro procázející sřídavý proud nejen velikosí svéo odporu vodiče z něož je navinua, ale lavně v důsledku své vlasnosi indukčnosi. 35

27 36 Při vysokýc frekvencíc (řádově sovky khz) oiž věšinou proudu procází povrcovými vrsvami vodiče, sředem jen minimum. Proo se významně zvýší odpor vodiče vf proudu v porovnání s odporem, kerý by kladl sejný vodič sejnosměrnému proudu. Teno jev nazýváme povrcový jev, zv. skin efek. 500 khz Vodivosní elekrony jsou v průřezu rozloženy rovnoměrně. Vodivosní elekrony jsou rozmísěny u povrcu vodiče. V omo případě i kráký vodič může bý pro procázející sřídavý proud o vysoké frekvenci významným odporem. Jak edy konsrukčně dosánou, aby vedení, po nicž přenášíme signály vf kladlo malý odpor procázejícímu proudu? Odpověď: Zvěši povrc vodiče nebo napaři kvaliní vodivý maeriál. Koaxiální vodič Duý sředový vodič ívky do vf obvodů se časo vinou lankem z mnoa vodičů navzájem odizolovanýc. To plaí pro frekvence řádu 0 khz až 0 3 khz. Oázka: Popiše kapaciu dráovéo vodiče a kapaciu lanka: Na frekvenci nad 0 3 khz nás omezuje již paraziní kapacia sousavy. Nad 0 3 khz používáme: Vodiče o velikém průřezu Trubky Pásky ívky členíme na: a) cívky bez jádra b) cívky s jádrem 36

28 37 a) ívky bez jádra Konsruují se pro indukčnosi řádu 0 6 s kmiočem řádu 0 MHz H (mikroenry).využívají se v obvodec Konsrukce: a) samonosné (bez kosry) b) na izolační kosře Používané do 0 µh. Samonosné cívky ívky na izolační kosře b) ívky s jádrem žií: vf obvody (0 0 0 mh) nf obvody (0 0 H nízkofrekvenční lumivky) Jádra: šroubová (jádro má var šroubu se záviem). Dosáneme L ~ 0 mh. L se zvěšuje zašroubováním jádra do cívky. ívka se šroubovým jádrem rníčková (jádro je složeno ze dvou čásí, keré po sloučení zcela obklopuje cívku. ívka je nasunua na sředovém sloupku). Jednovrsvová válcová cívka: Hrníčkové jádra d L d n. F.0 9 [ ] H l F 30 0 l délka cívky [cm] d průměr cívky [cm] n poče záviů F výpočový činiel d/l 37

29 38 Hrníčkové jádro, práškové jádro: L n. A L L indukčnos [nh] A L... činiel jádra (A L činiel, indukční činiel) (z kaalogovýc lisů) [nh] Zdroj: DIETMEIE,. Vzorce pro elekroniku. Praa : BEN, 999. nf lumivky žií: lavně v napájecíc zdrojíc Konsrukce: jádrové (jádro, ad.) plášťové jádro Jádro je vyrobeno z oropermovéo pásku a) po f 50 Hz je loušťka vodiče 0,3 mm. žluá barva označení b) po f 50 Hz 0 khz je loušťka vodiče 0,3 mm zelená barva označení Jednolivé záviy pásku jsou od sebe odděleny (snížení vířivýc proudů). o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o ívky s nosnými jádry ransformáorový plec (nf lumivky) ívka na jádru n L n m n poče záviů µ 0, [H.m ] µ r permeabilia plecu jádra l m sřední délka siločáry [m] S ploca jádra [m ] µ 0 l µ m r S ívka se vzducovou mezerou µ 0S ml > mfe L n l ml magneický odpor vzducové mezery l l délka vzducové mezery [m] S ploca jádra [m ] Plášťové nf lumivky (dvě jádra, jedna cívka) l o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 38

30 39.3. Základní výpočy cívky Úkol č. : Vypočíeje indukčnos jednovrsvové cívky bez jádra, záviy uloženy vedle sebe, u níž je: N 40 záviů d 0,8 mm, s izolací d 0,87 mm ( vodiče) D mm D D d Řešení: Vyjádřee z Nagaokova vzau: N d o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o b D D L k D b N 0 3 [ ] µh ;cm ;cm; () kde L indukčnos cívky k konsana D vniřní průměr cívky D D d b délka cívky N poče záviů Tabulka: rčení konsany z upravenéo Nagaokova vzau pro výpoče indukčnosi jednovrsvovýc cívek bez jádra. D b k D b k D b 0,00 9,8700,00 6,7945,00 5,866 4,00 3,6064 7,00,5504 0,05 9,6637,05 6,6888,0 5,070 4,0 3,555 7,0,5040 0,0 9,4633,0 6,586,0 4,9596 4,0 3,5048 7,40,4586 0,5 9,689,5 6,4875,30 4,8540 4,30 3,4564 7,60,46 0,0 9,083,0 6,3908,40 4,7533 4,40 3,400 7,80,3747 0,5 8,8987,5 6,980,50 4,6576 4,50 3,3646 8,00,335 0,30 8,73,30 6,08,60 4,5658 4,60 3,30 8,50,44 0,35 8,553,35 6,03,70 4,4780 4,70 3,778 9,00,565 0,40 8,3885,40 6,0355,80 4,394 4,80 3,363 9,50,0786 0,45 8,86,45 5,955,90 4,33 4,90 3,959 0,00,0065 0,50 8,0746,50 5,876 3,00 4,36 5,00 3,564,00,878 0,55 7,965,55 5,7946 3,0 4,6 5,0 3,084,00,7667 0,60 7,784,60 5,796 3,0 4,09 5,40 3,003 3,00,6700 0,65 7,6443,65 5,6466 3,30 4,00 5,60,94 4,00,584 0,70 7,500,70 5,5755 3,40 3,9558 5,80,8780 5,00,507 0,75 7,3807,75 5,5064 3,50 3,897 6,00,868 6,00,4380 0,80 7,554,80 5,4393 3,60 3,835 6,0,7586 7,00,3758 0,85 7,340,85 5,373 3,70 3,773 6,40,7033 8,00,386 0,90 7,075,90 5,3090 3,80 3,750 6,60,6500 9,00,673 0,95 6,9040,95 5,468 3,90 3,6597 6,80,5987 0,00,99 Výpoče: b N x d 40 x 0,87 34,8 mm D D d mm 0,87 mm,87 mm Z abulky pro b D 0,37 vyčeme k 8,55 L 6,5 µh k D b k D b k 39

31 40 Odpověď: Indukčnos navržené cívky bude 6,5 µh Pozn.: pro proudovou usou σ,5 A/ mm může ouo cívkou proéka proud π d 3,4.0,8 I σ.s σ.,5. 0, 75 A 4 4 Vyšší proud by způsobil již nežádoucí velikos zařáí vodiče cívky, což by molo poškodi izolaci vodiče. DÚ: ) Sesave vývojový diagram a napiše program v Pascalu pro výpoče Nagaokova vzau. ) Navrněe jednovrsvovou válcovou cívku bez jádra, závi vedle záviu ak, aby L 0 µh. Dodrže požadavek na d 0,8 mm (d 0,87 mm). Úkol č. : Vypočíeje indukčnos cívky s rozměry: a 0 mm b 60 mm c 0 mm N 600 a N poče záviů o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o c S..ploca zaplněna mědí S celkový průřez vinuí (b;c) S > S Řešení: Vyjdeme ze vzau: 30a N L 0 6a 9b 0c 6 [ ] mh ;cm I D o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o b K v činiel plnění () (plaí pro k v 0,6) L 6 6,06 mh Odpověď: ívka má indukčnos 6,06 mh. Měření indukčnosi cívky Měřicí meoda využívá rezonančníc vlasnosí cívky a kondenzáoru. Z určenéo rezonančnío kmioču lze jednoduše vypočía indukčnos cívky při známé odnoě kapaciy kondenzáoru. Ze vzau pro rezonanční kmioče vypočíáme L indukčnos: L.( f ) ~ 0 π 40

32 4 DÚ: ) Navrněe vícevrsvovou vzducovou cívku s L 0,8 mh; I 0,6A; D 0 mm; b 0 mm. ) Sesave VD a napiše program v Pascalu pro výpoče vzau (). 3) Popiše rozdíl mezi vzaem () a vzaem (). Úkol č. 3: Vypočíeje indukčnos jednovrsvé cívky, navinué na feriovém šroubovém laděném jádře, když víme, že: Indukčnos cívky bez jádra je 0,5 mh a permeabilia jádra je,5. Řešení: Pro výpoče indukčnosi cívek se šroubovými laděnými jádry lze uží vza: L µ. L o (3) L o indukčnos sejné cívky bez jádra µ cívková permeabilia jádra (,,3 viz. kaalog) L µ. L o,5. 0, ,65 mh DÚ: ) S využiím programu v úkolu č. vypočíeje indukčnos cívky na feriovém jádře. ) Program z úkolu č. uprave pro verzi, kerá řeší úkol č. i. Úkol č. 4: Vypočíeje indukčnos cívky s feriovým rníčkovým jádrem J6/6 z maeriálu H, když délka vzducové mezery l v 0,45 mm a N 4 záviů? Řešení: Vyjdeme ze vzau: L A. N L [nh; nh; ] 000 A L závisí na konsrukčním maeriálu a velikosi mezery. Jádra se vyrábí s akovými vzducovými mezerami, aby jejic konsany A L vořily normalizovanou řadu 5 ( µh). A L odečeno z grafu po l v 0,45 mm činí 50. A L [nh] Feriové rníčkové jádro 800 J6 / Maeriál H, µ r rozsa ladění šroubovým jádrem , 0,4 0,6 0,8,0,,4 l v [mm] Graf pro určení indukční konsany A L feriovéo rníčkovéo jádra 4

33 4 L A.N 50.4 [ nh ] L 5 mh Odpověď: Indukčnos éo cívky je 5 mh. kázka inerneovýc kaalogovýc sránek ( ložení cívky na desce plošnéo spoje: Indukované napěí Definice: u di I L L d di změna proudu. I změna proudu. změna času (přírůsek) Sériové spojení cívek L L L L L L N L... L N N L i i Definice:. L celková indukčnos [H] 4

34 43 Paralelní spojení cívek L L L L N Definice: L L L... L N N i L i Energie cívky proékané proudem W LI [ ] Ws W magneická energie [Ws] I proud cívkou Definice: Paramery indukorů: jmenoviá odnoa jmenoviá zaížielnos maximální ss odpor maximální odnoa činiele Q elekrická pevnos rozsa pracovníc eplo.4 Transformáor žií: ransformace napěí, proudu, impedance, galvanické odděleni obvodů Konsrukce: jádro (magneický obvod, obvykle není přerušen vzducovou mezerou) vinuí primární sekundární I I M N N Z N N I I Z primární vinuí sekundární vinuí proud v primárním vinuí proud v sekundárním vinuí záěž napěí na primárním vinuí výsupní napěí napěí na sekundárním vinuí 43

35 44 Převod ransformáoru: N p N I I p odpor v primáru odpor v sekundáru Definice převodu ransformáoru: Vzájemná indukčnos M Φ Φ M N N i i u u [ H ] di M d di M d N poče záviů primáru N poče záviů sekundáru Φ ok cívky v cívce Φ ok cívky v cívce V.s A Zráy v ransformáoru:. yserezní (důsledek sřídavé magneizace jádra). epelné ve vinuí ransformáoru (úměrné drué mocnině procázejícío proudu JoulLencův zákon) 3. vířivými proudy ve vodivém jádře jev lze sníži výrobou pleců z Si maeriálu a jejic vzájemným odizolováním lakem. Jádro se vyrábí aké z maeriálu s velkým měrným odporem (feri). Účinnos ransformáoru: P I P I P příkon ransformáoru η P výkon ransformáoru napěí na primární sraně napěí na sekundární sraně I vsupní proud I výsupní proud Definice účinnosi ransformáoru: 44

36 45 Maximální účinnos malýc ransformáorů je 6070%, síťové ransformáory mají účinnos kolem 95%. Malý ransformáor Síťový ransformáor Toroidní ransformáor Vysokonapěťový ransformáor Plášťový ransformáor Vinuí je obklopeno ransformáorovými plecy. Jádrový ransformáor Vinuí obklopuje ransformáorové plecy. ložení ransformáoru na desce plošnéo spoje: Sériové spojení magneicky vázanýc cívek L L M L ± sodný ok v L i L opačný ok v L a L Paralelní řazení cívek Má složiější řešení. Po připojení indukorů ke ss zdroji se rozdělí proud podle činnéo odporu, nikoliv podle indukčnosi. Nelze edy sanovi výslednou odnou indukčnosi paralelenío spojení pouze z odno indukčnosí jednolivýc indukorů. V případě, že indukory nejsou vázány vzájemnými indukčnosmi, plaí: n L i L i M L L 45

37 46 Auoransformáor I u N I N n N I I N u Konrolní oázky:. Kdy používáme pevné vrsvové rezisory a kdy pevné dráové rezisory?. Kolik prvků má řada E6, E, E4. 3. rčee r: 00 Ω r? V r V 4. Čím se liší elekrolyické kondenzáory od osaníc kondenzáorů? 5. o je základní funkcí rezisoru? 6. o je základní funkcí kondenzáoru? 7. o je základní funkcí cívky? 8. Kdy používáme cívky bez jádra a kdy s jádrem? 9. K čemu slouží ransformáor? 0. Popiše konsrukci ransformáoru.. Jak se ransformáory liší svojí účinnosí? 46

38 47.5 Polovodičová dioda.5. Základní pojmy Vodiče V elekroecnice členíme maeriály na: vodiče polovodiče nevodiče arakerisickou vlasnosí vodičů je jejic scopnos propoušě elekrický proud, připojímeli na konce vodiče elekrické napěí. kovové přívody Elekrické vodiče Zvýšení eploy vyvolává u vodičů aké zvýšení odporu. Izolany Vyvořímeli oba přívody ze dřeva, skla, nebo plasu, žárovka nesvíí. Maeriálem edy neprocází elekrický proud. pryžové přívody Izolany Aby izolan vedl elekrický proud, musíme jej vysavi vlivu neobyčejně vysokýc eplo. Oázka: o je carakerisické pro izolany? 47

39 48 Polovodiče Polovodiče (prvky čvré skupiny, např. cemicky čisý křemík, germanium ad.) za normálníc eplo elekrický proud nevedou, ale pokud je zařejeme, sávají se vodivými. křemíkové yčinky plamen křemíkové yčinky Dioda je elekrický prvek, kerý je pro elekrický proud propusný jen v jednom směru ( při vodné polarizaci napěí). ová se edy jako venil. Elekroecnická značka: A K A anoda K kaoda Druy diod: Hroová dioda Plošná dioda Dioda s přivařeným zlaým roem Zenerova a lavinová dioda Tunelová dioda Kapaciní dioda (varikap, varakor) Scokyo dioda ůzné druy diod Základem polovodičovýc diod jsou někeré prvky IV. skupiny Měndělejovy periodické sousavy prvků a sloučeniny. vázané elekrony Oddělíli se někerý elekron vzniká volný elekron a díra. Tao vodivos je nazývána vlasní vodivosí polovodičů (nejčasěji vlasní elekrony, keré se uvolnily z vazeb). Nevlasí vodivos v polovodiči získáme ak, že do polovodiče dodáme neparné množsví prvků: a) III. skupiny (bór, gálium, liník, rudium) b) V. skupiny (arsén, fosfor, animon) 48

40 49 Mluvíme o doaci. a) Vodivos ypu P díra Majoriní věšinové nosiče Minoriní menšinové nosiče Majoriními nosiči jsou díry. (elekrony jsou minoriní nosiče) b) Vodivos ypu N Majoriními nosiči jsou elekrony. (díry jsou minoriní nosiče) Koncenrace příměsí je velmi malá na jeden aom příměsi připadá asi 0 8 aomů vlasnío polovodiče. Nevlasní vodivos je asi 0 5 věší, oproi vodivosi vlasní. Vniřní a valenční elekrony aomu Elekrický proud voří usměrněný poyb kladně, nebo záporně nabiýc čásic. Tyo kladné i záporné čásice nalezneme v aomu. Doplňe: Kladně nabié čásice jsou... a mají kladný náboj o velikosi... Záporně nabié čásice jsou a mají záporný náboj o velikosi... V jádře aomu jsou spolu s proony aké neurony. Jaký náboj mají neurony?... Kolem jádra krouží elekrony. Elekrony ve vniřníc draác nazýváme vniřní elekrony. Elekrony v poslední dráze nazýváme valenční elekrony, proože umožňují vazby s jinými aomy. 49

41 50 Odpověze celou věou: Z čeo se skládá aom křemíku?... Poyblivos elekronů a vznik elekrickéo proudu Aomová jádra nemoou v maeriálu opusi své míso a proo nemoou bý nosielem elekrickéo proudu. Ani vázané elekrony za běžnýc podmínek neopouší aom a nejsou edy nosieli elekrickéo proudu. Valenční elekrony u vodičů jsou jen málo vázány k aomu, snadno se uvolní buď při zvýšení eploy maeriálu, svěelným kvanem, nebo vlivem působení vnějšío elekrickéo pole, sávají se volnými elekrony a moou bý nosielem elekrickéo proudu. Lze říci, že volnýc elekronů je vždy nejméně olik, jako je poče aomů. V maeriálu se poom volné elekrony nepoybují přímočaře, ale neusále se odráží od čásic maeriálu a vždy při srážce změní směr. Valenční elekrony mají edy dvojí funkci: a) realizují vznik vazeb mezi aomy b) moou bý nosieli elekrickéo proudu. Vliv vnějšío elekrickéo pole na aom polovodiče a na jeo vnější elekrony Vnější elekrické pole může při dosažení pořebné síly vyrnou valenční elekron z dráy a uvolni jej. Vzniká volný elekron, kerý se poybuje proi směru inenziy elekrickéo pole E, po své cesě však naráží na čásice maeriálu. Na mísě uvolněnéo valenčnío elekronu vzniká kladná čásice, zv. díra. Generace dvojice elekrondíra je silně eploně závislá. Zvýšení eploy o 0 o vyvolá vzrůs dvojic elekrondíra na dvojnásobek! Při nízkýc eploác eno jev neovlivňuje činnos součásek. Avšak při vyššíc eploác je jeo vliv významný a omezuje použií polovodičovýc součásek. Vlasní vodivos v polovodiči Elekrická vodivos je edy následek vzniku dvojice elekrondíra vlivem zvýšené eploy, elekrickéo pole, svěelnéo kvana ad. a závisí významně na eploě. Odpověze: Pokud je vodivos polovodiče dána jen vlasní vodivosí, jaký je poměr poču volnýc elekronů k poču děr? a) Poče elekronů je dvojnásobný ve srovnání s počem děr b) Poče elekronů a děr je sodný c) Děr je dvakrá více, než volnýc elekronů ekombinace V polovodičovém krysalu však nemoou zůsa všecny uvolněné valenční elekrony, proože po čase by se uvolnily všecny valenční elekrony všec aomů krysalu. Poká li volný elekron při svém poybu díru, spadne do ní a sává se opě valenčním. V krysalu polovodiče probíají souběžně dva jevy: a) uvolňování valenčníc elekronů b) rekombinace spojování díry a volnéo elekronu (elekron "spadne" do díry). Zaniká (rekombinuje) vždy sejný poče děr a volnýc elekronů. K rekombinaci docází převážně v okolí zv. porucy (porucovéo mísa), keré nazýváme rekombinačním cenrem. Také vyvoření párů je v podsaě vázáno na ao rekombinační cenra. 50

42 5 Tao rekombinační cenra voří v krysalec Ge a Si voří aomy ěžkýc kovů, například zlaa, nebo neparné porucy uspořádání krysalové mříže. Poče rekombinací je závislý na poču rekombinačníc cener v krysalu. V krysalu se nakonec poče vznikajícíc a rekombinujícíc párů usálí. ekombinační cenra ale neovlivňují vodivos Ge, nebo Si krysalu. Ovlivňují pouze dobu živoa volnýc elekronů a děr. Doba živoa nosičů nábojů se projekuje v rozmezí 0 až 0,0 mikrosekudy. Příměsová vodivos, způsobená pěimocnými prvky Volný elekron v krysalu polovodiče můžeme vyvoři aké ak, že do krysalu vpravíme aom příměsi prvku, kerý má 5 valenčníc elekronů. Jeo čyři valenční elekrony se zapojí do vazeb s aomy polovodiče a páý je jen slabě k aomu příměsi pouán a velmi snadno se uvolní a sane se elekronem volným. Příkladem je například aom arzénu. Takový aom nazýváme příměsí. Příměsi, keré dodávají jeden, nebo více volnýc elekronů nazýváme donory (donare... darovai). Donory způsobují v polovodiči vodivos ypu N (náboj elekronu je záporný). Proces zavedení cizíc aomů do krysalu nazýváme doování, doace. Donory způsobují zápornou doaci. Vodivos donorů závisí jen málo na eploě!!! Při běžnýc eploác je vodivos způsobená donory mnoem vyšší, než vodivos vlasní. Teprve při vysokýc eploác "dožene" vlasní vodivos vodivos nevlasní, způsobenou donory. O silně doovaném krysalu Ge, nebo Si mluvíme edy, když na každýc 0 až 0 4 aomů ěco prvků připadá jeden cizí aom příměsi. O slabě doovaném krysalu Ge, nebo Si mluvíme edy, když na každýc 0 6 až 0 9 aomů ěco prvků připadá jeden cizí aom příměsi. Příměsová vodivos, způsobená rojmocným prvkem Díru v krysalu polovodiče můžeme vyvoři aké ak, že do krysalu vpravíme aom příměsi prvku, kerý má 3 valenční elekrony. Jeo ři valenční elekrony se zapojí do vazeb s aomy polovodiče a čvrý elekron aomu polovodiče nemá parnera. Je jen slabě k aomu polovodiče pouán a velmi snadno se uvolní a sane se elekronem volným. Příkladem je například aom india In. Takový aom nazýváme příměsí. Příměsy, keré dodávají jednu, nebo více volnýc děr nazýváme akcepory (accipere... přijímai). Akcepory způsobují v polovodiči kladnou vodivos ypu P (náboj díry je kladný). Akcepory způsobují kladnou doaci. Vodivos akceporů závisí jen málo na eploě!!! Při běžnýc eploác je vodivos způsobená akcepory mnoem vyšší, než vodivos vlasní. Teprve při vysokýc eploác "dožene" vlasní vodivos vodivos nevlasní, způsobenou akcepory. Lze edy konsaova, že vodivos polovodičovéo krysalu, je li velmi čisý je velice malá a jen málo závisí na eploě, nepodrobíme li krysal vysokým eploám. Avšak neparným množsvím příměsy můžeme vodivos polovodiče významně ovlivni. kovů je poče volnýc elekronů věší, než poče aomů a ak neparné množsví příměsovýc nosičů vodivos neovlivní. Odpověze: Proč zůsane jedna z vazeb mezi aomy v případě že do aomu Ge vpravíme aom In volná?

43 5 Difúzní a vodivosní proud Příčiny vzniku elekrickéo proudu: a) exisence elekrickéo pole a volnýc nosičů elekrickéo náboje b) difusní proud Předpokládejme, že v polovodiči je neparné množsví děr a vysoké množsví volnýc elekronů. V každém krysalu čásice kmiají kolem svýc rovnovážnýc polo a je ím věší, čím vyšší je eploa. Too kmiání v důsledku způsobuje vyrávání valenčníc elekronů z jejic vazeb a následně jejic caoický (neuspořádaný) poyb. Čásice se v krysalu poybují bez cíle sysémem "sem am" i v případě, že v polovodiči nepůsobí žádné elekrické pole. Tyo čásice mají endenci rovnoměrně se v prosoru rozpýli. Poybuje li se v akovém případě více elekronů, nebo děr ve sejném směru, vzniká zv. difúzní proud. Oázka: Keré čásice moou bý nosiči elekrickéo proudu? a) valenční elekrony b) aomová jádra c) všecny elekrony. Proč se nemůže jeden valenční elekron aomu arzénu zapoji do vazeb mezi aomy krysalové mříže Ge, ani Si? Jaký vznikne poměr poču volnýc elekronů v polovodiči k poču děr v případě záporné doace? a) : b) : c) Poměr závisí na supni doace a eploě polovodiče 3. Mluvímeli o polovodiči, kerý vykazuje velký odpor, znamená o že jde o polovodič doovaný a) silně b) slabě?.5. Vznik a vlasnosi PN přecodu Předpokládejme, že máme krysal křemíku, jeož jedna srana vykazuje vodivos ypu P a druou sranu bude voři vodivos ypu N: díra záporně nabié akcepory P N volný elekron kladně nabié donory Přecod PN v křemíkovém krysalu To můžeme dosánou ak, že do levé srany vpravíme akcepory a do pravé srany donory. Míso, kde se sýká polovodič ypu P a polovodič ypu N se nazývá přecod PN. 5

44 53 Oázka: Napiše alespoň dva prvky, keré se používají k doování krysalu křemíku a germania: a) akcepory... b) donory... Díry z oblasi polovodiče P se snaží rovnoměrně rozmísi po celém maeriálu a difundují do oblasi N. Opačně o je u elekronů. Lze říci, že oba druy nosičů difundují a vyvolávají elekrický difúzní proud. P N Vznik difúznío proudu Oázka: Jaký směr mají difúzní proudy vyvolané poybem děr a elekronů a) sejný směr b) opačný směr Nakonec se vyvoří následující usálený sav po průcodu: a) díry difundující z levé oblasi ypu P do pravé oblasi ypu N, necaly za sebou nepoyblivé záporně nabié akcepory, keré se snaží přiánou díry zpě a nejsou kompensovány nábojem děr. b) volné elekrony difundující z pravé oblasi ypu N do levé oblasi ypu P, necaly za sebou nepoyblivé kladně nabié donory, keré se snaží přiánou volné elekrony zpě a nejsou kompensovány nábojem volnýc elekronů. V oblasi P se edy objevuje nekompensovaný záporný elekrický náboj. V oblasi N se objevuje nekompensovaný kladný elekrický náboj. P N P N a) b) Nekompenzovaný náboj v oblasi P, N Nekompensované náboje vyvolávají zv. difúzní napěí a poměry připomínají nabiý kondenzáor. Difůze elekronů a děr z přecodu PN vyvolává následující důsledky: a) elekrická vodivos PN přecodu je neparná b) činný odpor PN přecodu je velký V oblasi PN není kompensován elekrický náboj akceporů a donorů, proože zde cybí náboj volnýc elekronů a děr, keré difundovaly na druou sranu přecodu. Proože je eno nekompenzovaný elekrický náboj rozložený v prosoru,nazýváme oblas zbavenou nosičů nábojů oblasí prosorovéo náboje. 53

45 54 Oázka: Jaký elekrický náboj má oblas prosorovéo náboje přecodu PN a) na sraně oblasi ypu P b) na sraně oblasi ypu N P N ozdělení děr a volnýc elekronů v oblasi přecodu PN Difúzní napěí při syku kovu a polovodiče: Koncenrace volnýc elekronů ve vodičíc je mnoonásobně vyšší, než v oblasi P, či N polovodiče. Proo se objeví difúzní napěí i na syku kovu a polovodiče. Připojení přecodu PN k vnějšímu zdroji a) zapojení PN přecodu v propusném směru Připojením kladnéo pólu napěí na oblas ypu P a zápornéo pólu baerie na oblas ypu N se sává přecod vodivý, ale pouze od určié odnoy napěí. Pokud dosauje vnější napěí odnoy několika desein volu a o je nižší, než difusní napěí přecodu, procází přecodem PN neparný proud. Oblas prosorovéo náboje má velký odpor. Pokud dosáne vnější napěí odnoy difúznío napěí (Ge... 0,4V, Si... 0,7V), začne proud přes přecod prudce růs, proože vnější napěí lačí díry přes PN z oblasi P do oblasi N. Předím neparně vodivý přecod PN je zaplaven poyblivými nosiči nábojů. Odpor PN přecodu se významně zmenšuje. PN přecod je zapojen v propusném směru. Na omo jevu se podílí elekrony i díry. b) zapojení PN přecodu v nepropusném směru Vnější zdroj odauje volné elekrony a díry od přecodu PN a odsává volné nosiče z PN přecodu. Důsledky: Závěrně polarizovaný přecod PN a) PN přecod se rozšíří b) v oblasi prosorovéo náboje se sníží poče volnýc nosičů nábojů c) přecodem PN proud éměř neprocází Přecod je polarizován závěrně. P ování přecodu PN, připojímeli na oblas vodivosi ypu P malé napěí vzledem k oblasi ypu P. P oblas náboje N prosorovéo N 54

46 55 I ak však eče velice malý, ale reálný zv. závěrný proud přecodu PN. Ten je vyvolán rekombinačními cenry v oblasi prosorovéo náboje, v nicž se generují páry elekrondíra vlivem elekrickéo pole, působícío v oblasi prosorovéo náboje. Tao rekombinační cenra dodávají nepřeržiě malé množsví nosičů, keré voří závěrný proud. Lze edy říci, že rekombinační cenra plní funkci zdroje závěrnéo proudu. P N Závěrný proud přecodu PN ( je rekombinační cenrum) Generace dvojic elekrondíra významně závisí na eploě a proo je i velikos závěrnéo proudu závislá na eploě přecodu. Kriická odnoa závěrnéo napěí Připojímeli k přecodu PN malé závěrné napěí, je oblas prosorovéo náboje úzká a elekrody kondenzáoru se nacází blízko sebe: P N d Zdvojnásobímeli šířku oblasi prosorovéo náboje, zvěší se ím dvakrá i prosorový náboj. P N d Odud plyne, že pokud cceme nabí kondenzáor, jeož desky se vzdálily dvojnásobně na dvojnásobný náboj, musíme napěí na deskác zvěši čyřnásobně. ose ak inenzia elekrickéo pole. Zvyšováním závěrnéo napěí na přecodu edy rose inenzia elekrickéo pole. Krysal křemíku či germania má kriickou odnou inenziy elekrickéo pole přibližně 5 kv/mm. 55

47 56 Lavinový průraz Závěrný proud vzniká generací párů elekrondíra v oblasi prosorovéo náboje. Elekrony a díry při svém poybu narážejí na aomy křemíku či germania a odevzdávají čás své energie. Jeli inenzia elekrickéo pole dosaečně velká, může elekron mezi dvěma nárazy získa ak velkou energii, že při nárazu do aomu krysalu z aomu vyrne další valenční elekron z valenční dráy. Vzniká nová dvojice elekrondíra. Zvyšuje se závěrný proud. Jev se neusále opakuje. Průraz přecodu je lavinový. Zenerův průraz V oblasi silně doovanéo přecodu PN, kerý má úzkou oblas prosorovéo náboje moou volné náboje (elekrony a díry) při určiém napěí proběnou uo oblas, aniž by došlo ke srážce s aomovou mříží. Narazíli na aomy Si, či Ge mimo oblas prosorovéo náboje, vznikne sice aké dvojice elekrondíra, ale yo nosiče již nejsou uryclovány, proože mimo oblas prosorovéo náboje již nepůsobí elekrické pole. Proo nedojde k lavinovému průrazu. Inenzia elekrickéo pole v oblasi prosorovéo náboje může dosánou akovýc odno, že dojde k vyržení valenčníc elekronů, vzniku dvojice elekrondíra a nálému vzrůsu závěrnéo proudu. Mluvíme o Zenerově průrazu. Opakování P vyprázdněná oblas N о о о Ө о о Ө о о о о Ө о Vyvořímeli v jednom krysalu prosor ypu P i N poom enkou oblas, kde přecází polovodič ypu P do polovodiče ypu N nazýváme přecod PN. věšinová díra iony poenciálnío valu věšinový elekron menšinový elekron menšinová díra Právě eno přecod se cová jako venil: P menšinové nosiče N Popis cování přecodu: Záporné nosiče z oblasi N jsou přiaovány kladným pólem zdroje a kladné nosiče z oblasi P záporným pólem zdroje. Žádné nosiče neprocází přes přecod. závěrný proud Poenciálový val Závěrný směr 56

48 57 Popis cování přecodu: P propusný proud věšinové nosiče N Propusný směr Záporné nosiče z oblasi N jsou přiaovány kladným pólem zdroje a kladné nosiče z oblasi P záporným pólem zdroje. Všecny nosiče procází přes PN přecod (dioda je polarizována v propusném směru). A K P N A anoda (elekroda připojena na oblas vodivosi P) K kaoda (elekroda připojena na oblas vodivosi N) I F [ma] I FA [V] M 0 FA 0,4 0,7 F [mv] F propusné napěí [V] I F propusný proud [A] závěrné napěí [V] M maximální závěrné napěí [V] I S eoreický závěrný proud [A] I závěrný proud [A] T eploní napěí [V] I [µa] Pro malé proudy plaí I F T I ( e ) S F.5.3 Ampérvolová carakerisika diody Diodu lze přiloženým napěím zapoji: a) v propusném směru v rozepnu v sepnu A I F I z u D() 0,4V (0,7V) A 0 v D F z z u v() u z() 0 z 0,4V (0,7V) 57

49 58 V kaalogu označujeme sřídavý propusný proud u diody i F a sřídavé napěí na diodě u F. 0 A D z 0 A D I z. Z 0 0,4 V pro Ge diodu 0 0,7 V pro Si diodu AV carakerisika diody: I Popis v symbolickém varu pro A 0: v : v, z 0, D 0 v : v 0, D 0,4V (0,7V), 0,4V (0,7V) v spínač rozepnu v spínač sepnu D 0,4 V napěí D klesne na odnou 0,4 V z 0,4 V napěí na odporu se usálí na napěí zdroje zmenšené o úbyek na diodě Dioda začíná propoušě proud až při úbyku napěí na diodě 0,4 V (Ge) nebo 0,7 V (Si). Too napěí je zv. praové napěí. 0 0,4 0,7 [V] Oblas, kdy dioda éměř nepropouší proud, i když je polarizovaná v propusném směru. I I O e v Jedná se o indeální průbě AV carakerisiky diody. I O nasycený proud v eploní napěí (při eploě υ 0 o má odnou 6mV) Popiše funkci obvodu: Popiše nakreslený graf: Napiše definici AV carakerisiky: Jaký vniřní odpor musí mí ampérmer a volmer, pomocí něož cceme měři v obvodu a): Odpor ampérmeru má bý: a) A << 0 ; A << z b) A 0 ; A z c) A >> 0 ; A >> z 58

50 59 Saický a dynamický odpor diody v propusném směru Volampérovou carakerisiku lze naradi dvěma přímkami. Do zv. praovéo napěí TO je dioda nevodivá a po jeo překročení proud na diodě soupá lineárně v závislosi na napěí. Tao linearizace je velice přibližná. V omo případě můžeme označi odpor diody r F jako diferenciální odpor. r F u F i F T 0 arakerisika diody v propusném směru však není přímka. V akovém případě nesmíme pracova s velmi malými odnoami změn napěí a proudu v nasaveném pracovním bodě: I A I I A A Tečna v bodě A A SA gα I A A d A da I di A A Saický odpor diody v bodě A gα Dynamický odpor diody v bodě A 0 α α o A A Definice saickéo odporu: Definice dynamickéo odporu: V propusném směru má edy dioda sériový odpor S a dynamický odpor da. sejnosměrnýc proudů se uplaňuje jen saický odpor diody. Teploní závislos carakerisiky diody Úbyek na diodě v propusném směru se se zvyšující eploou PN přecodu zmenšuje ν j 5 ν j , 0,4 0,6 0,8 0, 0,4 0,6 0,8,0 F [V] b) a) Propusná carakerisika a/ germaniové diody, b/ křemíkové diody IF [ma] IF [A],0, F (V) 59

51 60 DÚ: Navrněe obvodové scéma pro měření saickéo a dynamickéo odporu diody v propusném směru a napiše posup měření. b) v nepropusném směru A I Z Dokreslee graf: v rozepnu V sepnu 0 A v D z z D v 0 A D z I Z 0 0 D z I Z Úkol: Popiše funkci obvodu v symbolickém varu: Slovy popiše funkci obvodu: elé napájecí napěí zaěžuje diodu v závěrném směru. Závěrný proud je určen především okem menšinovýc nosičů. Ten se již při napěí několika sein volu nasyí. Proud diodou v závěrném směru označujeme I, úbyek v závěrném směru diody, zv. závěrné napěí diody. V nepropusném směru eče aké zv. svodový proud. Překročíli se však napěí na diodě průrazné napěí B, závěrný proud srmě rose, proože docází k průrazu PN přecodu. I [V] na ν j 5 µa B B A 0 ν j ν j 80 0µA 00µA ma 0 ma I arakerisika lavinové diody 60