Základy elektrotechniky

Transkript

1 Základy elektrotechniky Přednáška Diody, usměrňovače, stabilizátory, střídače 1

2 VÝROBA POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ Polovodič - prvek IV. skupiny, nejčastěji Si, - vysoká čistota (10-10 ), - bezchybná struktura atomové mřížky v monokrystalu. Polovodič typu P - má příměs prvku, který má o jeden valenční elektron méně než základní polovodič - nejčastěji bór B. Polovodič typu N - má příměs prvku, který má o jeden valenční elektron více než základní polovodič - nejčastěji fosfor P, vodivost je způsobena pohybem valenčních elektronů Základní materiál polovodičových součástek - monokrystalický polovodivý Si

3 Monokrystaly - příprava z krystalového zárodku, např. tažením z taveniny v kelímku (monokrystaly o průměru až 500 mm, délce až 180 cm a hmotnosti do 100 kg). Hotové monokrystaly - řezání na tl. cca 1 mm - leptání, - broušení - leštění 3

4 DIODA - princip Dioda - přechod PN oblast P - přebytek děr, oblast N - přebytek elektronů => vznik potenciálového valu prahové napětí U p Si dioda U p = 0,5 V Ge dioda U p = 0, V. Žádná dioda nemá nulové prahové napětí => nelze účinně přímo usměrňovat napětí < 1 V. 4

5 Polarizace diody propustný směr závěrný směr prahové napětí U p Si dioda U p = 0,5 V Ge dioda U p = 0, V. I = 0 Žádná dioda nemá nulové prahové napětí => nelze účinně přímo usměrňovat napětí < 1 V. 5

6 VA charakteristika diody závěrný směr propustný směr 6

7 Mezní parametry diod I max U max U RSM P maximální proud v propustném směru, dán plochou PN přechodu a jeho chlazením 50 ma až několik tisíc ampér dle konstrukce maximální závěrné napětí 50 V až 6000 V pro Si diody dle typu průrazné napětí je asi o 50% vyšší než U max ztrátový výkon výkon, který je třeba odvést chlazením; 7

8 Lavinová dioda a Zenerova dioda Běžné diody lavinovitý nárůst závěrného proudu zničení přechodu Lavinové a Zenerovy diody (ZD)- vysoce homogenní PN přechod lavinovitý nárůst závěrného proudu nedestruktivní stabilizace napětí. 8

9 Náhradní schéma ZD ZD lze mezi body B a C nahradit sériovou kombinací - ideálního zdroje napětí U Z0 a - diferenciálního odporu r Z r Z = d U d I ZP ZP náhradní schéma ZD, schematická značka Zenerovo napětí U Z0 Dovolený ztrátový výkon na ZD V až 30 V dle typu P Z = I Zmax.U Z Použití - stabilizace napětí 9

10 USMĚRŇOVAČE Jednofázový jednocestný usměrňovač Filtrační kondenzátor na výstupu usměrňovače: - v části periody se nabije proudem přes diodu usměrňovače a - ve zbývající části periody (kdy proud diodami neteče) hradí proud tekoucí do zátěže náboj v kondenzátoru Filtrační kondenzátor - velká kapacita polarizovaný elektrolyt 10

11 Zvlnění výstupního napětí výpočet změn výstupního napětí - zvlnění u předpoklady: t d <<T, vybíjení kondenzátoru lineární (v praxi bývá splněno) Q U = C. u stř =U i u -.T u 1max d = - u U 1 i.t C u - - u d u d - úbytek napětí na diodě, cca. 0,7 až 1 V T =1 / f, pro f = 50 Hz je T = 0ms Dimenzování diody: U =.U =.U d max 1 max 1 11

12 Dvoufázový dvoupulzní usměrňovač Uzlové zapojení u = i T C Dimenzování diody: U =.U =.U d max 1 max 1 1

13 Jednofázový dvoucestný usměrňovač Můstkové zapojení u d V u = i T C Dimenzování diody: =U =.U U d max 1 max 1 13

14 Stabilizátor se ZD + R + i 3 i Z + u 3 _ ZD _ u 3 _ transformátor usměrňovač stabilizátor se ZD zátěž 14

15 Integrované stabilizátory Vyrábějí se - pro pevnou řadu napětí nebo - s napětím nastavitelným pomocí vnějšího potenciometru Při montáži je třeba dbát na dostatečné chlazení. Ztrátový výkon P max je třeba odvádět chladičem 1 3 P max = ( U 1 U ) I max Pozn.: na vývody integrovaného stabilizátoru je třeba připájet blokovací kondenzátory velikosti 0,1mF až 10mF bezindukčního provedení, tj. keramické nebo tantalové. U 1 1-0V _ 0,µ F 0,µ F U 5V 1A _ 15

16 STŘÍDAČOVÉ ZDROJE Moderní, efektivní, malá hmotnost, malé rozměry i při velkých výstupních proudech a při malých napětích. Např.: zdroj v PC, lehké nabíječe mobilních telefonů, atd V/50Hz FILTR ZDROJ V PC sběrací C + _ Transformátorek na feritovém jádře IO budící a řídící obvod spínací tranzistor zpětná vazba napětí Výstupní usměrňovače + 1V/4A _ + 5V/0A _ + Princip: usměrňovač, střídač - pulzní napětí o kmitočtu 0 khz až 00 khz, znovu usměrňovač, výhoda - vf transf. napětí malé rozměry jádra. 16

17 Vyrobený polovodičový systém čip ochrana před vlivem prostředí opatření vnějšími vývody zapouzdření kovová, keramická nebo plastová pouzdra), nezbytná schopnost odvádět teplo vznikající v čipu do okolí Maximální teplota čipu t cmax - nesmí být ani krátkodobě překročena, Si t cmax = 150 o C - 10 o C, Ge t cmax = 90 o C teplo vytvořené ztrátovým výkonem P zčipu prvku musí být odváděno pryč 17

18 CHLAZENÍ ELEKTRONICKÝCH PRVKŮ Pro ustálený stav: teplotní spád mezi čipem o teplotě ϑca okolním prostředím o teplotě ϑ0 je úměrný ztrátovému výkonu P a celkovému teplotnímu odporu R ϑ = ϑc ϑo = P.R = P. Ri ϑ kde: ϑ je oteplení čipu [K] P ztrátový výkon prvku [W] ϑ teplota čipu [K] R celkový teplotní odpor [KW -1 C ϑ ] ϑ teplota okolí [K] R i dílčí teplotní odpory [KW -1 0 ] ϑ 18

19 Ztrátový výkon P z určíme: a) u jednoduchých elektronických prvků (dioda, tranzistor) - jako střední hodnotu součinu přiváděného napětí a proudu v čase P = 1 z T T 0 u(t)i(t)dt b) u součástek složitější konstrukce (zesilovač, stabilizátor napětí aj.) - je vhodnější určení P z jako rozdíl výkonu přiváděného k obvodu P in a výkonu odevzdávaného obvodem P out. P = P P z in out 19

20 ϑ C ϑ P ϑ ch ϑ o R p - udáván v katalogu R ch - pro danou konstrukci lze zjistit měřením závisí na: velikosti plochy chladiče, na její povrchové úpravě, poloze, proudění okolního vzduchu Zhruba platí, že 1 dm černěné plochy má teplotní odpor R = 6,5 KW -1. 0