Ing. Jozef Klus 2012

Transkript

1 Ing. Jozef Klus 2012 Polovodičová dióda, definícia, VA charakteristika Druhy diód plošné, stabilizačné, kapacitné Diak, tyristor, triak štruktúra, charakteristiky, využitie Bipolárne tranzistory, základné pojmy, značky Činnosť tranzistora, základné zapojenie Parametre tranzistorov vplyv teploty na vlastnosti Tranzistory ovládané elektrickým poľom Súčiastky riadené svetlom, teplom základný princíp Test Písomná práca Ing. Jozef Klus 1

2 Dióda je elektronická súčiastka s dvoma elektródami, ktorá (ideálne) vedie elektrický prúd len jedným smerom. Hovoríme, že prúd usmerňuje. Okrem usmerňovania prúdu sa používajú ako tepelný a svetelný senzor, zdroj svetla, filter signálu, spínač, demodulátor,... Ing. Jozef Klus 2

3 Dióda je polovodičová súčiastka s jedným PN priechodom Princíp diódy je zhodný s princípom fungovania PN priechodu Priepustný smer Záverný smer Ing. Jozef Klus 3

4 Priepustný a záverný smer diódy v závislosti od polarity pripojeného zdroja A anóda K - katóda VA charakteristika diódy Ing. Jozef Klus 4

5 Plošná dióda využívajú sa hlavne v usmerňovačoch Konštrukcia plošnej diódy (detail PN priechodu a rez puzdrom) Ing. Jozef Klus 5

6 Používajú sa viaceré technológie výroby Zliatinové kvapka india (IN) sa pri vysokej teplote vtaví do kremíkovej doštičky, čím sa vytvorí PN priechod problém je v opakovateľnosti výroby Difúzne vzniká difúziou P atómov do monokryštálu N z plynnej formy presnejšia výroba rovnaké vlastnosti súčiastok Stabilizačné zenerové diódy sú to plošné Si diódy s veľmi tenkým PN priechodom majú typickú VA charakteristiku prudký zlom v závernom smere (nárast prúdu v závernom smere) sa využíva na stabilizáciu napätia ostrý zlom v charakteristike je spôsobený tým, že pri Zenerovom napätí Uz dochádza prudkému rastu záverného prúdu pri takmer stálom napätí Ing. Jozef Klus 6

7 tento jav sa volá Zenerov prieraz, ale nie je deštruktívny dióda sa nepoškodí typické zapojenie jednoduchého stabilizátora pomocou Zenerovej diódy Kapacitné diódy Varikapy sú to špeciálne diódy (plošné, kremíkové) pri ktorých sa využíva zmena kapacity PN priechodu v závernom smere kapacita sa dá meniť pomocou záverného napätia (1 100 pf) používa sa pre ladenie LC obvodov elektronické ladenie rezonančných obvodov Značka varikapu Ing. Jozef Klus 7

8 Fotodióda sú to plošné diódy, ktoré majú okienko v puzdre cez okienko sa osvetľuje PN priechod svetelným žiarením vplyvom svetla sa v PN priechode uvoľnia ďalšie valenčné elektróny (fotoelektrický jav), čím sa zvýši zostatkový (záverný) prúd dióda zmení svoj odpor v závernom smere môže pracovať v 2 režimoch: mení svoj odpor v závislosti od osvetlenia, alebo je zdrojom elektrického napätia Značka fotodiódy VA charakteristika fotodiódy Ing. Jozef Klus 8

9 LED dióda známa ako svetelná alebo elektroluminiscenčná dióda, ľudovo ledka (z angličtiny light-emitting diode) je to polovodičová elektronická súčiastka, ktorá vyžaruje svetlo, keď ňou prechádza elektrický prúd v priepustnom smere svietiaci efekt je následkom žiarivej rekombinácie elektróndierového páru (jav elektroluminiscencie) uvoľňuje sa fotón farba vyžarovaného svetla závisí od štruktúry PN prechodu aj od použitého materiálu Značka LED diódy Ing. Jozef Klus 9

10 Diak súčiastka s troma vrstvami rôzneho typu vodivosti (2 PN priechody) môže byť PNP alebo NPN vlastnosti nezávisia od polarity pripojeného napätia, preto sa jeho vývody od seba neodlišujú - je to súmerná súčiastka je spínaný privedeným napätím diak sa používa v spínacích obvodoch a ako prepäťová ochrana Štruktúra a značka diaku pri malom napätí medzi vývodmi má veľký odpor - správa sa ako rozpojený spínač - je v blokovacom stave po dosiahnutí spínacieho napätia U BO odpor sa náhle zmenší a prúd v obvode prudko vzrastie nastane nedeštruktívny prieraz a diak sa zopne do vodivého stavu VA charakteristika diaku Ing. Jozef Klus 10

11 Tyristor tiež aj riadený usmerňovač 4-vrstvový polovodičový prvok má 3 PN prechody má 3 elektródy A anóda K - katóda G - riadiaca elektróda (Gate) Štruktúra a značka tyristoru VA charakteristika tyristora Ing. Jozef Klus 11

12 Činnosť tyristora v priepustnom smere anóda (+) napätie a katóda ( ) napätie kladným impulzom na G elektróde sa tyristor otvorí priepustný stav v tomto stave zostane pokiaľ: prúd neklesne pod hodnotu tzv. vratného prúdu I H alebo obvod A-K je rozpojený alebo prepólovaný (privedené napätie s opačnou polaritou) nastane vypnutie tyristora a prechod z priepustného stavu do blokovacieho v striedavom obvode je periodický vypínaný každú zápornú polperiódu V nepriepustnom smere je tyristor vždy vypnutý Náhradné zapojenie tyristora Ing. Jozef Klus 12

13 Triak je to obojsmerný tyristor štruktúra je tvorená 5 vrstvami PNPNP a 4 PN priechodmi triak vznikne antiparalelným zapojením 2 tyristorov môže prepúšťať prúd v oboch smeroch a chová sa ako tyristor v priepustnom smere využitie triaku je pri regulácii intenzity osvetlenia, výkonu vyhrievacích telies, otáčok elektromotorov v práčkach, vŕtačkách, ventilátoroch a ďalších domácich elektrických spotrebičoch VA charakteristika triaku Ing. Jozef Klus 13

14 Tranzistor (angl. transistor) = transfer resistor Tranzistor je polovodičový prvok s 2 PN priechodmi na jednom základnom monokryštáli Bipolárny - využíva obidva druhy nosičov elektrického náboja - záporné elektróny a kladné diery Ing. Jozef Klus 14

15 Skladá sa z 3 vrstiev rôznej vodivosti NPN PNP Má 3 vývody Baza (B) stredná vrstva Emitor (E) 1. krajná vrstva Kolektor (C) 2. krajná vrstva Typ polovodiča určuje typ tranzistora Usporiadanie PN priechodov, schématické značky a diódová náhradná schéma Ing. Jozef Klus 15

16 Činnosť tranzistora opis je pre tranzistor typu NPN V tranzistore sú 2 PN priechody emitorový priechod medzi bázou a emitorom kolektorový priechod medzi bázou a kolektorom Ing. Jozef Klus 16

17 Princíp práce tranzistora Prirovnanie s vodou Kolektor Kolektorový prúd Bázový prúd Báza Emitor Emitorový prúd Tri prúdy tranzistora Emitorový prúd Smer toku prúdu (elektróny tečú opačne) Malým prúdom bázy je ovládaný oveľa väčší prúd kolektoru Ing. Jozef Klus 17

18 Tranzistor uzavretý medzi E a C pripojíme JS zdroj U CE (+ na C) zapojenie priechodov emitorový v priepustnom smere kolektorový v závernom smere prúd obvodom emitor kolektor nemôže pretekať Tranzistor otvorený medzi B a E pripojíme ďalší JS zdroj napätia U BE emitorový prechod je zapojený v priepustnom smere účinkom napätia U BE začnú voľné elektróny prúdiť z emitora do bázy báza je veľmi tenká (~ 0,01 mm) väčšina elektrónov (97%) prenikne až ku kolektorovému prechodu kolektorový prechod je pre elektróny otvorený elektróny sú priťahované kladným pólom kolektora a potom prúdia až ku kladnému pólu zdroja U CE obvod je uzavretý Ing. Jozef Klus 18

19 voľné elektróny pretekajú v tranzistore z E do C a obvodom tečie kolektorový prúd I C malý prúd tečie aj z E cez B ku kladnému pólu zdroja U BE a obvodom preteká bázový prúd I B I E = I B + I C ale približne platí I C ~ I E Zosilňovací účinok tranzistora pracuje ako zosilňovač Dva stavy jedného tranzistora a) zatvorený, b) otvorený Malá zmena I B (o 0,1 ma) vyvolá zmenu prúdu I C o 2,5 ma v obvode kolektor-emitor. Tranzistor zosilnil prúd 25-krát prúdové zosilnenie Ing. Jozef Klus 19

20 Zapojenie tranzistora podľa typu princíp fungovania je rovnaký pri NPN musí byť na kolektore kladné U pri PNP musí byť na kolektore záporné U ak sa to nedodrží tranzistor sa zničí Základné zapojenie tranzistora zapojenie so spoločným emitorom SE časť emitorového obvodu je spoločná pre vstup aj pre výstup Ing. Jozef Klus 20

21 Ďalšie zapojenia tranzistorov SE spoločný emitor SB spoločná báza SC spoločný kolektor Ing. Jozef Klus 21

22 VA charakteristika tranzistorov znázorňuje závislosť I C na napätí kolektor-emitor pri konštantnom prúde I B pre každú hodnotu I B je jedna VA charakteristika pri I B = 0 preteká tranzistorom zostatkový prúd I C0 (v dôsledku vlastnej vodivosti) tvar kriviek platí pre zapojenie typu SE Výhody tranzistorov malé rozmery pracujú pri nízkych napätiach dlhá životnosť otrasuodolné veľká účinnosť jednoduchý odvod tepla Nevýhody majú parametre závislé od teploty neznášajú preťaženie majú zostatkový prúd pri rádioaktívnom ožiarení stratia funkčnosť Ing. Jozef Klus 22

23 Konštrukcia plošného tranzistora Ing. Jozef Klus 23

24 moderné tranzistory používané hlavne v integrovaných obvodoch nazývajú sa aj unipolárne na vedení prúdu sa zúčastňujú len nosiče jedneho druhu elektróny alebo diery K riadeniu veľkosti prúdu medzi emitorom E a kolektorom C sa využíva elektrostatické pole, ktorým sa mení vodivosť kanálu medzi E a C. Existuje niekoľko technológii výroby týchto tranzistorov, napr.: J-FET a MOS-FET najčastejšie využívané v IO (Metal oxide Semiconductor-Field Effect Tranzistor = kov-oxidpoiovodič-poie-riadenie tranzistor). Na obrázku je znázornený tranzistor MOS-FET základom je polovodičová kremíková doštička s vodivosťou typu P (substrát) nosičom prúdu sú diery v doštičke sú dve oblasti s vodivosťou typu N (emitor a kolektor), kde sú nosiče elektróny Ing. Jozef Klus 24

25 na rozdiel od bežného PNP tranzistora je ovládaný kovovým hradlom G (gate), ktoré je izolované od substrátu SiO2 ak nie je na G pripojené napätie, diery sú pritiahnuté k emitoru (+ napätie) a od kolektoru (- napätie) sú odpudzované prúd obvodom nepreteká ak je na G pripojené kladné napätie, diery sú od G elektródy odpudzované vplyvom elektrického poľa a tak vznikne pod G elektródou vodivý kanál pre elektróny čím väčšie + napätie na G, tým širší vodivý kanál a tým väčší prúd medzi emitorom a kolektorom ovládanie kolektorového prúdu (prúd emitor - kolektor) je uskutočňované iba napätím, bez prúdu nulový vstupný výkon, čo je veľká výhoda týchto tranzistorov majú veľký vstupný odpor a malé rozmery (až 1000 tranzistorov na 1 mm 2 ) využívajú sa hlavne v číslicovej technike Schematická značka tranzistora FET a) J-FET; b) MOS-FET Ing. Jozef Klus 25

26 Polovodičové súčiastky bez PN priechodu ich vlastnosti (napr. odpor) sa menia: s teplotou (termistor) s osvetlením (fotorezistor) podľa veľkosti pripojeného napätia (varistor) alebo magnetickým poľom (Hallový článok) Ing. Jozef Klus 26

27 Termistory teplotne závislé odpory so vzrastajúcou teplotou odpor klesá schematická značka a charakteristika teplotnej závislosti termistor so stúpajúcou charakteristikou (odpor s teplotou rastie) sa volá pozistor používajú sa na meranie teploty, meranie prúdenia kvapalín, stabilizácia pracovného bodu tranzistora, ochrana žiaroviek, tepelná ochrana prístrojov Fotorezistory menia odpor so zmenou osvetlenia využíva sa fotoelektrický jav vplyvom osvetlenia selénu sa uvoľňujú elektróny, ktoré zmenšujú odpor súčiastky odpor fotorezistora sa mení v rozsahu: v tme 1 MΩ pri svetle asi 1 KΩ schematická značka Ing. Jozef Klus 27

28 Fotočlánok umožňuje priamu premenu svetelnej energie na elektrickú princíp činnosti využitie fotorezistorov a fotočlánkov meranie a regulácia slnečné zdroje slnečné pohony Varistory polovodičová súčiastka, ktorá mení svoj odpor v závislosti od priloženého napätia vyrába sa z karbidu kremíka využitie varistorov stabilizácia napätia ochrana proti prepätiu (bleskoistky) schematická značka Ing. Jozef Klus 28