Manuální, technická a elektrozručnost Realizace praktických úloh zaměřených na dovednosti v oblastech: Vybavení elektrolaboratoře Schématické značky, základy pájení Fyzikální principy činnosti základních elektrosoučástek Základní pojmy a veličiny Řešení úloh s elektrickými obvody s použitím Ohmova zákona Zapojování elektrických obvodů podle schématu Praktické použití polovodičových součástek Měření základních elektrických veličin Scénář č. 8 Praktické použití polovodičových součástek Klíčové pojmy: Diody, přechod PN, usměrňovače (jednocestný, dvoucestný, můstkové zapojení), filtry, Zenerovy diody, činitel stabilizace S, fotodiody, tranzistory, fototranzistory, solární články, integrované obvody, čip, pouzdro DIL pin, monolitické stabilizátory 78xx, 79xx, integrované stabilizatory, obvod LM 317 1. Úvod Praktické použití polovodičových součástek je nepřeberné. Účelem tohoto kurzu je seznámit studenty se základními aplikacemi, se kterými se v praxi setkají. V minulém kurzu jsme se blíže zabývali diodami LED, které jsou ideální pro pochopení funkce jednoduchých obvodů. Pro úplnost je třeba říci, že diody lze obecně rozdělit podle použití : - hrotové diody (pro malé proudy - jsou vhodné ve VF technice a jako rychlé spínací diody) - usměrňovací diody (výkonové diody) - Zenerovy diody (stabilizační diody v závěrném směru) - tunelové diody (oscilátory bez zpětné vazby s využitím záporného dynamického odporu) - inverzní diody (zvláštní druh tunelové diody pro usměrnění malých napětí do 300 mv) - kapacitní diody (varikapy) k elektronickému ladění rezonančních obvodů - LED diody - fotodiody - speciální diody (mikrovlnné apod.) 2. Diody 2.1 Princip diody Přiložíme-li na polovodičový přechod PN napětí podle následujícího obrázku, budou kladné díry ve vrstvě P odpuzovány od kladné elektrody a záporné elektrony ve vrstvě N budou Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 1/ ze 12
odpuzovány od záporné elektrody. Říkáme, že přechod PN je polarizován v propustném směru (je vodivý) a prochází jím el.proud. Přiložíme-li na PN přechod napětí opačné polarity, přitáhnou se díry k záporné elektrodě, elektrony ke kladné elektrodě a vznikne nevodivé pásmo. Říkáme, že přechod PN je polarizován v závěrném směru (je nevodivý) a neprochází jím el.proud (pouze tzv.zbytkový). 2.2 Usměrňovač Je to elektrické zařízení určené k přeměně střídavého napětí na napětí stejnosměrné. Využívá k tomu usměrňovací diody. 2.2.1 Jednocestný usměrňovač Propouští pouze jednu půlvlnu vstupního střídavého napětí. Na výstupu získáme pulzující napětí. Má pouze poloviční účinnost a používá se u nenáročných zařízeních na usměrněné napětí s nízkým odběrem proudu. Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 2/ ze 12
Tento typ usměrňovače je nejrozšířenější a má všestranné použití. Zvláště ve vysokofrekvenční a měřicí technice se uplatňuje jako indikátor VF energie. Usměrňovací dioda se také často vkládá přímo do měřicí sondy střídavého napětí. V laděných obvodech LC tvoří obvod k demodulaci signálu nebo k dalšímu zpracování. 2.2.2 Dvoucestný usměrňovač Propouští obě půlvlny vstupního střídavého napětí. Může se realizovat pomocí dvou diod a transformátorem s odbočkou uprostřed na sekundárním vinutí. Při kladné půlvlně je funkční dioda D1 a při záporné půlvlně je funkční dioda D2. Na výstupu pak získáme dvoucestně usměrněné napětí. Výroba tohoto transformátoru je pracná a tedy i finančně náročná. Bez tohoto transformátoru se dá realizovat dvoucestný usměrňovač se čtyřmi diodami v můstkovém zapojení (Grätzův můstek). Zde se usměrnění jedné půlperiody vstupního napětí účastní vždy dvě diody v propustném směru. Na výstupu získáme opět dvoucestně usměrněné napětí. Protože napětí na výstupu má zvlněný průběh, řadíme za usměrňovač ještě filtr, který zvlnění potlačuje. Nejjednodušším filtrem je kondenzátor, kde se uplatňuje jeho vybíjecí charakteristika při poklesu výstupního napětí. Jednocestný usměrňovač s filtrem: Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 3/ ze 12
Můstkový usměrňovač s filtrem: Kromě kondenzátoru se také používají filtry RC a LC a také filtry aktivní s tranzistorem. Běžná zapojení usměrňovačů s polovodičovými diodami a příslušné výpočetní vztahy jsou uvedeny v následující tabulce: Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 4/ ze 12
2.3 Zenerova dioda V propustném směru se Zenerova dioda chová jako běžná křemíková dioda. Typický je však průběh V-A charakteristiky při opačné polaritě napětí na diodě, tedy v závěrném směru. 2.3.1 Stabilizátor se Zenerovou diodou Zajistíme-li omezení proudu Zenerovou diodou v oblasti Zenerova napětí nad jistou mez, dostaneme jednoduchý stabilizátor napětí. V tomto případě nedojde k destruktivním změnám na přechodu diody. Základní zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou má opačně polarizovanou ZD. Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 5/ ze 12
Při velkém kolísání proudu I Zenerovou diodou je změna napětí U2 malá, což je princip stabilizace. Činitel stabilizace S = U1 / U2. U1 změna vstupního napětí U2 změna výstupního napětí Čím menší je změna kolem Zenerova napětí, tím větší je činitel stabilizace. Zenerovo napětí je výrobní parametr ZD, takže si typ ZD musíme sami vybrat z katalogu pro konkrétní napětí. 2.4 Fotodiody Fotodiody se vyrábí většinou z křemíku. Zapojují se v závěrném směru. Bez osvětlení jimi protéká jen nepatrný proud způsobený teplem. Fotoproud IP roste lineárně s intenzitou osvětlení a není závislý na velikosti závěrného napětí. Fotodiody se používají k měření osvětlení a u světelných závor. Příklad použití fotodiody BPX 65 v obvodu spínaným relé v kolektoru tranzistoru : Dioda 1N4148 paralelně připojená k relé má ochrannou funkci. Eliminuje indukované napětí na cívce relé při zániku proudu. Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 6/ ze 12
3. Tranzistory Tranzistory jsou aktivní polovodičové součástky. Základ tranzistoru tvoří polovodičová destička (Ge,Si). Tranzistory jsou bipolární nebo unipolární. V praxi se častěji používají bipolární tranzistory. Používají se zejména jako spínače, oscilátory, v měřicí a regulační technice. Jako diskrétní součástky v zesilovačích se používají jen ze cvičných důvodů. Byly vytlačeny integrovanými obvody (IO). Bipolární tranzistory jsou dvojího druhu NPN a PNP. Vývody tranzistoru se označují báze (B), kolektor (C) a emitor (E). Každá polovodičová vrstva je spojena s jedním vývodem 3.1 Princip tranzistoru Náhradní schéma si můžeme představit jako opačně zapojené diody do série. Velikost procházejícího proudu se řídí proudem přivedeným na bázi. NPN PNP Otevření tranzistoru : Připojíme-li mezi kolektor a emitor napětí, bude přechod B-E zapojený v propustném směru, ale přechod C-B v nepropustném směru. Proud nemůže protékat. Připojíme-li ale mezi bází a emitor další zdroj napětí, začnou volné elektrony procházet z emitoru do báze. Protože je vrstva báze velmi tenká, projde většina elektronů setrvačností až Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 7/ ze 12
ke kolektoru. Zde jsou elektrony přitahovány kladným pólem zdroje napětí. Tranzistorem tedy protéká proud ( IE = IC + IB ). Protože proud do báze je malý a ve srovnání s celkovým proudem je zanedbatelný, říkáme že emitorový proud je přibližně stejný jako kolektorový proud (IE ~ IC ). 3.2 Zapojení tranzistoru Tranzistor můžeme zapojit různými způsoby : - zapojení se společným emitorem SE - zapojení se společnou bází SB - zapojení se společným kolektorem SC Každé zapojení má své typické použití a probírá se v teoretické elektronice. 3.3 Značení tranzistorů Značení tranzistorů se skládá ze dvou nebo tří písmen a čísla. 1. písmeno značí polovodičový materiál : A Ge B Si C sloučeniny D - polykrystaly 2. písmeno značí funkci a druh tranzistoru : C NF D - výkonový NF F VF S - spínací U spínací výkonový 3. písmeno značí průmyslový (komerční) produkt, např. B, X, Y nebo Z 2. číslice značí typ : 4 NPN 5 - PNP Příklad : označení BC 547 BC 557 znamená tranzistor křemíkový, nízkofrekvenční, NPN znamená tranzistor křemíkový, nízkofrekvenční, PNP (komplementární s tranzistorem BC 547) Tranzistory mají normalizované tvary, rozměry a značení pouzder. Pouzdro může být z plastu nebo kovu. Plastová pouzdra se používají pro malé proudy řádově v ma. Tranzistory s kovovými pouzdry se používají pro proudy v ampérech, lépe odvádějí vzniklé teplo. Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 8/ ze 12
Příklady pouzder tranzistorů s vývody a jejich normalizované značení 3.4 Základní zapojení tranzistoru SE Napětí mezi bází a emitorem a mezi kolektorem a emitorem se prakticky nahrazuje jedním napájecím zdrojem E. Proud do báze je určen rezistorem RB, přičemž UBE ~ 0,6 V. Kondenzátor zapojený do báze CB propustí vstupní střídavý signál, který se sečte se stejnosměrnou složkou Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 9/ ze 12
napětí nastaveného pracovního bodu tranzistoru. Na výstupu z kolektoru přes kondenzátor CK dostaneme zesílený ale invertovaný signál. Základní zapojení NF zesilovače je na následujícím obrázku. Toto zapojení lze použít i jako tranzistoru ve funkci spínače. 3.5 Fototranzistory Fototranzistory jsou křemíkové tranzistory s okénkem o ploše několika mm 2. Tímto okénkem může světlo dopadat na dráhu mezi bází a emitorem. Princip činnosti je podobný jako u fotodiody. U tranzistoru však dojde účinkem světla k zesílení kolektorového proudu. Proto má fototranzistor asi 100 až 500 krát větší citlivost na světlo jako srovnatelná fotodioda. Bez dopadajícího světla se tranzistor chová jako obdobný bipolární tranzistor. Protéká jím malý zbytkový proud ICE. Při dopadu světla se na PN přechodu uvolní nosiče nábojů a zvýší vodivost závěrné vrstvy. Fototranzistor se otevře a vede elektrický proud. Fototranzistory se používají ve světelných závorách a ve snímačích čárového kódu. 4. Solární články Solární články (sluneční baterie) jsou polovodičové prvky, které mění světlo na elektrickou energii. Solární články jsou tvořeny polovodičovými plátky, tenčími než 1 mm. Na spodní straně je plošná průchozí elektroda. Horní elektroda má plošné uspořádání ve tvaru dlouhých prstů zasahujících do plochy. Na povrchu solárního článku je ochranná skleněná vrstva. Slouží i jako antireflexní vrstva a zajišťuje, aby co největší množství světla proniklo do polovodiče. Tato vrstva se většinou vytváří napařením oxidu titanu (tmavomodrý vzhled článku). Jako polovodič se převážně používá křemík. Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 10/ ze 12
4.1 Princip činnosti solárního článku Ozářením solárního článku světlem se uvolní v polovodiči nosiče nábojů. V závěrné vrstvě uvolňují dopadající fotony dvojice volných nábojů elektrony a díry. Prostorové náboje závěrné vrstvy tlačí elektrony k N- vrstvě a díry k P-vrstvě. Tím vzniká fotoelektrické napětí, které vyvolá fotoelektrický proud. Výsledkem tohoto procesu je přeměna světla na elektrickou energii. Mezi horní a dolní plochou (mezi elektrodami) může být odebírán stejnosměrný proud. Solární články se využívají v mnoha přístrojích a zařízeních solární kalkulačky, systémy energetického zabezpečení např. u horských chat, automobilů apod. Elektrický výkon je určen celkovou plochou a účinností solárních článků. Např. při ploše 10 cm 2 a plném slunečním světle může článek dodávat zhruba 2W (při napětí 1 V a proudu 2 A). Chceme-li získat vyšší napětí, musíme články spojit do série. Chceme-li získat větší proud, musíme je spojit paralelně. 5. Integrované obvody Integrované obvody jsou kompletní funkční celky, které obsahují na jedné (křemíkové) polovodičové destičce všechny součástky obvodu (rezistory, diody, tranzistory) včetně jejich propojení. Tato polovodičová destička se nazývá čip. Čip je zalisován do plastového nebo keramického pouzdra. Na jednom čipu jsou na ploše několika čtverečních milimetrů stovky až tisíce funkčních prvků. Většinou se používají pouzdra se dvěma řadami vývodů DIL (Dual In Line). Počty vývodů (pinů) jsou 8, 14, 16, 20, 24 nebo více. Kovová válcová pouzdra mohou mít např. 8 nebo 10 vývodů. Pouzdro DIL plastové 5.1 Integrované stabilizátory Stabilizátor napětí ve formě integrovaného obvodu (IO) značně zjednodušuje a zlevňuje konstrukci napájecích zdrojů. Existuje mnoho těchto obvodů stabilizátory pevně nastavených kladných i záporných napětí, stabilizátory s volitelným proudovým omezením, spínané stabilizátory atd. Jednoúčelové stabilizátory napětí jedné hodnoty jsou schopné pracovat bez dalších periferních součástek. Jsou navrženy jako výkonové monolitické stabilizátory kladných napětí různé velikosti s výstupním proudem max. 1 A, vnitřní tepelnou ochranou, vnitřní ochranou proti zkratu na výstupu a vnitřní ochranou proti sekundárnímu průrazu. Jsou to typové řady 78xx, Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 11/ ze 12
79xx, první dvojčíslí 78 pro kladné napětí, 79 pro záporné napětí a poslední dvojčíslí XX udává velikost výstupního napětí. Např. 7805 je monolitický stabilizátor kladného výstupního napětí 5 V 7812 12 V 7815 15 V 7824 24 V 7905 záporného 5 V Velmi oblíbený IO se stabilizovaným výstupním napětím, jehož velikost se dá nastavit změnou pasivních prvků, je stabilizátor LM 317. U tohoto obvodu lze měnit výstupní napětí v rozsahu 1,2 až 37 V, výstupní proud je 0,1 A u typu LM 317L a 1,5 A u typu 317K. Výstupní proud lze zvýšit připojením vnějších výkonových tranzistorů. Příklad zapojení regulátoru napětí s nastavitelným stabilizovaným výstupním napětí je na obrázku. Toto zapojení se vyrábí i v provedení SMD. Datum: 13.10.2011 Scénář 8/ Obor V2.x strana 12/ ze 12