Vysoká škola báňská Tchnická nivzita Ostava LKTKÉ OBVOY ZÁKLAY LKTONKY čbní txt Jitka Mohylová, Josf nčochář Ostava 0
cnz: oc. ng. Lnka Lhotská, c. Mg. Tomáš Fismol Názv: lktické obvody Základy lktoniky Ato: Jitka Mohylová, Josf nčochář Vydání: pvní, 0 očt stan: 74 Náklad: 0 tdijní matiály po stdijní obo Řídicí a infomační systémy faklty F Jazyková kokta: nbyla povdna. čno po pojkt: Opační pogam Vzděláváním po konkncschopnost Názv: sonalizac výky postřdnictvím -laning Číslo: Z..07/..00/07.0339 alizac: VŠB Tchnická nivzita Ostava ojkt j spolfinancován z postřdků F a státního ozpočt Č Jitka Mohylová, Josf nčochář VŠB Tchnická nivzita Ostava BN 978-80-48-60-8
OBAH ZÁKLAY ANALÝZY OBVOŮ NLNÁNÍM VKY... VÝKLA..... finic základních pojmů.... Analýza nlináních obvodů... 4.3 Apoximac nlináních chaaktistik... 4.4 Gafické řšní nlináních obvodů... 7 ojmy k zapamatování... 3 Otázky... 3 Úlohy k řšní... 4 Txt k postdování... 6 alší zdoj... 6 Kospondnční úkol... 6 OLOVOČOVÉ OY... 7 VÝKLA... 7. olovodičové matiály... 7. řchod -N (dioda)... 9.. řchod -N bz vnějšího napětí... 30.. řchod -N polaizovaný v popstném smě... 3..3 řchod -N polaizovaný v závěném smě... 3..4 Ampévoltová chaaktistika přchod -N (diody)... 33..5 ifnční vodivost (odpo) diody v popstném a závěném smě, směňovací jv... 34.3 Lavinový jv, Znův jv... 38.4 Fotodioda (fotojv)... 44.5 hy diod... 47 ojmy k zapamatování... 48 Otázky... 48 Úlohy k řšní... 48 -OM... 53 Txt k postdování... 53 alší zdoj... 54 Kospondnční úkol... 54 3 TANZTOY... 55 VÝKLA... 55 3. Bipolání tanzistoy... 55 3. Tanzistoový jv... 56 3.. opis a modl tanzisto (stjnosměný)... 58 3.. hování tanzisto při malých (signálových) změnách b, i b, i signálový modl tanzisto... 6 3..3 Tanzisto N a spolčný signálový modl po N a NN... 65
3..4 Mzní paamty bipoláních tanzistoů... 66 3.3 Nastavní pacovního bod tanzisto (pincip)... 69 3.4 Základní zapojní s jdním bipoláním tanzistom... 73 3.4. Zapojní s xtním mitoovým odpom... 78 3.4.3 Zsílní v zapojní jako fnkc napájcího napětí... 80 3.4.4 Zapojní s spolčným kolktom mitoový sldovač... 84 3.4.5 Vliv výstpního odpo zdoj signál v zapojní... 87 3.4.6 Zsílní v zapojní jako fnkc napájcího napětí... 89 3.4.7 Zapojní s spolčno bází... 90 ojmy k zapamatování... 9 Otázky 3... 9 Úlohy k řšní 3... 93 -OM... 97 Txt k postdování... 97 alší zdoj... 98 Kospondnční úkol... 98 4 NOLÁNÍ TANZTO TANZTO ŘÍZNÝ LKTKÝM OLM (FT FL FFT TANZTO)... 99 VÝKLA... 99 4. Úvod... 99 4. Konstkc a pincip činnosti tanzistoů JFT... 0 4.3 hování tanzisto při 0... 0 4.4 hování tanzisto při G 0... 03 4.5 hování tanzisto při G 0 a 0... 05 4.6 Konstkc a pincip činnosti tanzistoů s indkovaným... 07 4.7 Konstkc a pincip tanzisto s zabdovaným kanálm... 09 4.8 Ampévoltové chaaktistiky nipoláních tanzistoů... 4.9 hování tanzistoů FT po malé signálové změny, signálový... 4 4.0 Mzní paamty nipoláních tanzistoů... 6 4. Nastavní pacovního bod nipoláních tanzistoů... 7 4.. Nastavní pacovního bod JFTů... 7 4.. Nastavní pacovního bod tanzisto MOFT (s zabdovaným kanálm) 4..3 Nastavní pacovního bod tanzisto MOFT (s indkovaným kanálm). 4..4 Nastavní pacovního bod sldovač napětí... 7 4. Základní zapojní s FTy... 30 4.. Zapojní... 30 4.. Zapojní s zdoji pod... 35 4..3 Zapojní s spolčným hadlm... 39 4..4 Zapojní s spolčným vývodm ( sldovač)... 4 ojmy k zapamatování... 43 Otázky 4... 43 Úlohy k řšní 4... 44 Txt k postdování... 48 alší zdoj... 48
-OM... 49 Kospondnční úkol... 49 5 OBVOY VÍ TANZTOY... 50 VÝKLA... 50 hntí... 73 Kospondnční úkol... 73 6 VLV AAZTNÍH KAAT BOLÁNÍHO TANZTO 74 VÝKLA... 74 6. Vliv kapacity B v zapojní... 75 6. Vliv kapacity B v zapojní... 79 6.3 Vliv kapacity B v zapojní B... 79 ojmy k zapamatování... 8 Otázky 6... 8 Úlohy k řšní 6... 8 Txt k postdování... 8 alší zdoj... 8 -OM... 8 7 HNTÍ ZÁKLANÍH VLATNOTÍ ZAOJNÍ TANZ- TOY... 83 VÝKLA... 83 7. hntí základních vlastností zapojní s jdním bipoláním tanzistom... 83 7. hntí základních vlastností zapojní s nipoláním tanzistom... 87 Otázky 7... 88 Txt k postdování... 88 -OM... 88 Kospondnční úkol... 89 8 VLV VAZBNÍH KAAT... 90 VÝKLA 90 8. Vliv blokovací kapacity mitoového odpo... 95 ojmy k zapamatování... 00 Otázky 8... 00 Úlohy k řšní 8... 00 Txt k postdování... 0 alší zdoj... 0 -OM... 0 Kospondnční úkol... 0 9 OAČNÍ ZLOVAČ (OZ)... 03 VÝKLA... 03
9. nvtjící zsilovač s idálním opačním zsilovačm (OZ)... 05 9. Ninvtjící zsilovač s OZ... 06 9.3 álné vlastosti OZ... 07 9.4 Filty s opačními zsilovači (aktivní filty)... 09 ojmy k zapamatování... 3 Otázky 9... 4 Úlohy k řšní 9... 4 Txt k postdování... 6 alší zdoj... 6 Kospondnční úkol... 6 0 ZĚTNÁ VAZBA... 7 VÝKLA... 7 0. Vliv zpětné vazby na fkvnční vlastnosti přnos... 9 0.. Honí kmitočt přnos ˆ a... 9 0.. olní kmitočt přnos ˆ a... 0 0. Vliv zpětné vazby na na vstpní impdanci... 0.3 Vliv zpětné vazby na výstpní impdanci... 3 ojmy k zapamatování... 7 Otázky 0... 7 Úlohy k řšní 0... 7 Txt k postdování... 9 alší zdoj... 9 -OM... 9 Kospondnční úkol... 9 OLÁTOY... 30 VÝKLA... 30. Hamonické (sinsové) oscilátoy... 3.. Oscilátoy s indkční vazbo... 3.. Tří bodové zapojní oscilátoů L... 3. Oscilátoy... 33.. Osciláto s Winovým člnm... 34.. Osciláto s přmostěným článkm T... 35..3 Osciláto s fázovým posnm 80 () v zpětnovazbní smyčc... 36..4 Tanzistoové vz oscilátoů... 38 ojmy k zapamatování... 4 Otázky... 4 Úlohy k řšní... 43 Txt k postdování... 44 alší zdoj... 44 -OM... 44 Kospondnční úkol... 44
GNÁTOY OBÉLNÍKOVÉHO A LOVÉHO NAĚTÍ... 45 VÝKLA... 45. chmittův klopný obvod (KO)... 45.. nvtjící vaianta chmittova klopného obvod... 46.. Ninvtjící vaianta chmittova klopného obvod... 48..3 Tanzistoová vz chmittova klopného obvod... 50. Astabilní klopný obvod AKO... 5.. Astabilní klopný obvod s opačním zsilovačm... 5.. Astabilní klopný obvod s tanzistoy... 55.3 Gnáto pilového napětí... 57 ojmy k zapamatování... 58 Otázky... 58 Úlohy k řšní... 59 Txt k postdování... 60 alší zdoj... 60 -OM... 60 Kospondnční úkol... 6 KLÍČ K ŘŠNÍ... 55 Úlohy k řšní... 55 Úlohy k řšní... 55 Úlohy k řšní 3... 63 Úlohy k řšní 4... 66 Úlohy k řšní 6... 67 Úlohy k řšní 8... 67 Úlohy k řšní 9... 68 Úlohy k řšní 0... 69 Úlohy k řšní... 70 Úlohy k řšní... 70 LTATA... 7 jstřík... 73
OKYNY K T lktické obvody o přdmět lktické obvody.. smst obo Biomdicíncký tchnik jst obdžli stdijní balík obsahjící intgované skiptm po distanční stdim obsahjící i pokyny k stdi -OM s doplňkovými animacmi vybaných částí kapitol hamonogam půběh smst a ozvh pznční části ozdělní stdntů do skpin k jdnotlivým ttoům a kontakty na ttoy kontakt na stdijní oddělní KVZTY o stdim tohoto přdmět s přdpokládá absolvování přdmět. lktické obvody. ÍLM ŘMĚT j sznámní s základy toi obvodů s aktivními sočástkami (tdy lktoniky). o postdování modl by měl stdnt být schopn povést analýz obvodů v fkvnční i v časové oblasti; zvládnot syntéz základních lktonických obvodů. o koho j přdmět čn Modl j zařazn do bakalářského stdia obo Biomdicínský tchnik, stdijního pogam B649 - lktotchnika, al můž jj stdovat i zájmc z ktéhokoliv jiného obo, pokd splňj požadované pkvizity nbo absolvoval obsahově podobný kz. kiptm s dělí na části, kapitoly, kté odpovídají logickém dělní stdované látky, al njso stjně obsáhlé. řdpokládaná doba k stdi kapitoly s můž výazně lišit, poto jso vlké kapitoly dělny dál na číslované podkapitoly a těm odpovídá níž popsaná stkta. ři stdi každé kapitoly dopočjm násldjící postp: Čas k stdi: xx hodin Na úvod kapitoly j vdn čas potřbný k postdování látky. Čas j ointační a můž vám složit jako hbé vodítko po ozvžní stdia clého přdmět či kapitoly. Někom s čas můž zdát příliš dlohý, někom naopak. Jso stdnti, ktří s s toto poblmatiko jště nikdy nstkali a naopak takoví, ktří již v tomto obo mají bohaté zkšnosti. íl: o postdování tohoto odstavc bdt mět popsat...
dfinovat... vyřšit... hnd potom jso vdny cíl, ktých mát dosáhnot po postdování této kapitoly konkétní dovdnosti, znalosti. VÝKLA Násldj vlastní výklad stdované látky, zavdní nových pojmů, jjich vysvětlní, vš dopovázno obázky, tablkami, řšnými příklady, odkazy na animac. Řšný příklad hntí pojmů Na závě kapitoly jso zopakovány hlavní pojmy, kté si v ní mát osvojit. okd něktém z nich jště nozmít, vaťt s k nim jště jdno. ojmy k zapamatování Otázky o ověřní, ž jst dobř a úplně látk kapitoly zvládli, mát k dispozici několik totických otázk. Úlohy k řšní otož většina totických pojmů tohoto přdmět má bzpostřdní význam a vyžití v databázové paxi, jso Vám nakonc přdkládány i paktické úlohy k řšní. V nich j hlavní význam přdmět a schopnost aplikovat čstvě nabyté znalosti při řšní álných sitací hlavním cílm přdmět. říklad k samostatném řšní -OM Otvři sobo
Txt k postdování [] Mohylová, J, nčochář,j.:... alší zdoj [] [3] [4] KLÍČ K ŘŠNÍ Výsldky zadaných příkladů i totických otázk výš jso vdny v závě čbnic v Klíči k řšní. ožívjt j až po vlastním vyřšní úloh, jn tak si samokontolo ověřít, ž jst obsah kapitoly sktčně úplně zvládli. Kospondnční úkol Zadání domácí úlohy, tst nbo smináního pojkt k odvzdání ttoovi a hodnocné v ámci kz. Úspěšné a příjmné stdim s toto čbnicí Vám přj ato výkového matiál Jitka Mohylová & Josf ncochá ˇ ˇ
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky Základy analýzy obvodů s nlináními pvky Čas k stdi: hodiny íl o postdování tohoto odstavc bdt mět ozlišit linání a nlinání obvod dfinovat základní pojmy stanovit pacovní bod apoximovat nlinání chaaktistiky analyzovat základní obvody s nlináními odpoovými pvky VÝKLA V přdmět lktické obvody (nbo v odpovídajícím základním kz) jsm s zabývali lináními obvody a jjich řšním. Zopakjm tdy, ž linání obvod obsahj poz linání pvky. Linání odpoový pvk j takový pvk, jhož paamty odpo a vodivost G jso konstantní, nzávislé na vlikosti působících napětí a podů. AV chaaktistika lináního pvk j přímka pocházjící počátkm. ) řipomňm, ž v lináním obvodě platí pincip sppozic. okd obvod obsahj alspoň jdn pvk s nlinání AV chaaktistiko viz ob.., j clý obvod nlinání. V nlináních obvodch nplatí pincip sppozic! i i i i a) typ N b) typ c) nlinání d) nlinání nsoměná soměná Ob..: Základní typy nlináních AV chaaktistik ) o indkčnosti a kapacity s poszjí jiné chaaktistiky: A Wb, V.
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky.. finic základních pojmů nlináních obvodů dfinjm pojmy: pacovní bod, pacovní úsk VA chaaktistiky, statický odpo (statická vodivost G ) a difnciální (dynamický) odpo d (difnciální vodivost G d ) acovní bod: znám-li VA chaaktistik, můžm k každé hodnotě obvodové vličiny čit odpovídající hodnot dhé vličiny této dvojici bodů říkám pacovní bod = [, ] viz ob... i Ob..: finic pacovního bod i i A B (t) Ob..3: finic pacovního úsk AV chaaktistiky acovní úsk VA chaaktistiky: dfinjm jako oblast mzi body AB viz ob..3 t tatický odpo:
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky j dfinován jako pomě pacovního napětí k pacovním pod viz ob..4. Jho vlikost však nní obcně konstantní po každý bod chaaktistiky j ůzný (po linání pvk s měnit nbd).hodnota statického odpo j vždy kladná. i sp. G i A A A 0 α α A i Ob..4: finic statického odpo nlináního pvk kd A A tg k tg A m O m A m j měřítko napětí (např. m j měřítko pod (např. V cm) A cm) α j úhl, ktý svíá spojnic bod A s počátkm k = m m dfinj pomě zvolných měřítk v gaf m O m omocí těchto paamtů můžm vyjádřit i hodnot ztátového výkon (v bodě A ): m O m O m m O O A A A A A A Tnto výkon j úměný vyznačné ploš viz např. pacovní bod, o sořadnicích, ob... ifnciální odpo: (dynamický) j závislý na poloz klidového pacovního bod a j čný sklonm tčny k chaaktistic v daném bodě. V klsající části VA chaaktistiky j záponý, v stopající části j kladný ob..5. tčna i A Δ i. B β -β 0 Δ 3 Ob..5: finic difnciálního odpo nlináního pvk
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky kd d k tg i β úhl, ktý svíá směnic tčny k chaaktistic v daném bodě. Analýza nlináních obvodů Analýza nlináních obvodů přdstavj složitější poblém nž analýza lináních obvodů. V nlináních obvodch nplatí pincip sppozic, platí zd Kichhoffovy zákony (KZ), kté spol s popism nlináních pvků možňjí popsat každý nlinání obvod sostavo nlináních algbaických nbo tanscndntních ovnic. Tva těchto ovnic závisí přdvším na způsob popis VA chaaktistik nlináního pvk, ktý můž být dán bď analytickým výazm nbo gafm či tablko naměřných hodnot. Mtody analýzy nlináních obvodů můžm ozdělit do tří základních skpin: mtody analytické, gafické a nmické. Každá z vdných mtod má své výhody a nvýhody. Hlavní výhodo analytických mtod j možnost získání obcných výsldků. Nvýhodo j omzní jjich požití poz na případy, v nichž jso algbaické a tanscndntní ovnic analyticky řšitlné. Gafické mtody jso výhodné po svo názonost a po přímé zpacování gaficky zadaných nbo naměřných chaaktistik sktčných nlináních pvků. Nvýhodo j jjich omzná přsnost daná kvalito gafických konstkcí a nmožnost získání obcných výsldků. Nmické mtody vyžívají výpočtní tchniky a jjího pogamového vybavní. Tyto mtody dosahjí vysoké přsnosti výsldků analýzy, al opět ndávají obcné výsldky, každá změna msí být řšna samostatně..3 Apoximac nlináních chaaktistik VA chaaktistiky sktčných nlináních pvků jso zpavidla dány gafm nbo tablko naměřných hodnot. ři požití analytických a nmických mtod potřbjm vyjádřit tyto chaaktistiky nbo jjich části v fomě analytických výazů. Njobvykljší postp při získávání apoximačních analytických výazů j, ž změřno VA chaaktistik nahadím vhodným matmatickým modlm spol s čním všch jho paamtů. Základní matmatické apoximac nlináních chaaktistik jso: 4
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky a) Linaizac: Náhado VA chaaktistiky nlináního zisto přímko pocházjící počátkm sořadné sostavy linaizjm pvk v clé pacovní oblasti. Můžm požít všch pincipů a mtod analýzy a syntézy lináních obvodů. J zřjmé, ž tato linaizac nb do úvahy nlinání vlastnost pvk a hodí s poz po přibližné řšní obvodů s npodstatnými nlinaitami. Vhodnější apoximací nlinání chaaktistiky j linaizac v čité pacovní oblasti popř. v pacovním bodě viz ob.. 6. i Δ i L Δ ia ib L A B Ob..6: Linaizac chaaktistiky v pacovní oblasti Apoximační přímk lz popsat ovnicí (směnicový tva přímky) i nbo i G L d kd L a L jso sořadnic půsčíků apoximační přímky s sořadnicovými osami L d d G odpovídá směnici této přímky d L L j to jn spciální případ obcného vztah d i B B i A A Δ Δi řibližno náhado nlináního zisto v važované pacovní oblasti j potom séiové zapojní lináního zisto d a napěťového zdoj L nbo paallní zapojní lináního zisto o vodivosti G d a zdoj pod L viz ob..7. J-li pacovní oblastí jn malá část VA chaaktistiky, můžm ji s dostatčno přsností nahadit (sčno) tčno v pacovním bodě, pak paamty d a G d přdstavjí difnciální odpo a vodivost v važované pacovní oblasti. i i i n L G d L d Ob..7: Náhadní zapojní nlináního zisto při linaizaci v pacovní oblasti 5
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky Hlavní výhodo linaizac j jdnodchost požitého modl. Modl obsahj poz aktivní a pasivní linání pvky a tdíž můžm vyžít všch mtod analýzy lináních obvodů. J požitlný poz tam, kd j nlinaita nfnkční vlastností obvod nvyžívá s. V závislosti na tva VA chaaktistiky můžm někdy požít tzv. linaizac po úscích. VA chaaktistik ozdělím v tomto případě do několika oblastí a v každé z nich ji nahadím vhodno úsčko (např. VA chaaktistika diody). Náhadní chaaktistiko j pak lomná čáa složná z přímkových úsků. J zřjmé, ž přsnost apoximac ost s počtm úsků. ost al i složitost počtních úkonů při řšní ovnic, ktá spočívá hlavně v stanovní hanic platnosti jdnotlivých úsků. Tnto způsob linaizac lz požít i po fnkční nlinaity. b) Apoximac mocninnými fnkcmi Tato apoximac vyžívá obcno mocnin v tva y ax b ax m n kd m, n jso clá čísla. vdná fnkc má poz dva nznámé koficinty, takž stačí znalost dvo bodů po jjich ční pomocí intpolační mtody (např. pod vakovo diodo v oblasti 3 postoového náboj vyjádřím vztahm i a ). c) Apoximac xponnciálními polynomy: xponnciální polynom y a 0 b x b x bn x n a a a n k 0 a bk x k j vhodný v řadě paktických případů. Zpavidla vystačím s dvěma nbo třmi člny T polynom (např. VA chaaktistika polovodičové diody má tva i 0 d) Apoximac tanscndntními fnkcmi: Někté typy nlináních chaaktistik lz apoximovat ůznými tanscndntními fnkcmi obsahjící někté konstanty jako paamty, např. y a actgbx, y a sinhbx, y a tghbx 6
.4 Gafické řšní nlináních obvodů Základy analýzy obvodů s nlináními pvky Jdnodché odpoové obvody moho být gaficky analyzovány mtodo postpného zjdnodšování stjně jako linání obvody. Místo výpočtů náhadních odpoů po séiové a paalní zapojní zistoů msím postpně sčítat (sstojovat) jdnotlivé VA chaaktistiky dokd ndostanm výsldno VA chaaktistik. a) Řšní séiového řazní sočástk Výsldným řšním j zkonstování výsldné V-A chaaktistiky séiově řazných sočástk. o jdnoho obázk nakslím obě dvě chaaktistiky. Řším například séiovo kombinaci lináního odpo a nlináního odpo n tj. opakovaně sčítám sořadnic napětí při zvolných podch aplikac. KZ po zvolné hodnoty séiového pod, tdy pod stjného po oba odpoy (znak séiovosti) ob..8. latí: n atd. n n i n výsldná + + n n Ob..8: Mtoda postpného zjdnodšování chaaktistik po séiové řazní sočástk b) Řšní paallního řazní sočástk n Řšním j opět zkonstování výsldné AV chaaktistiky paallních sočástk. Njpv nakslím do obázk V-A chaaktistiky obo zistoů. otož v paallním obvodě j na obo sočástkách stjné napětí, získám body výsldné AV chaaktistiky sočtm podů obo zistoů 7
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky při zvolném napětí aplikac. KZ po zvolné hodnoty stjného "paallního" napětí (stjné napětí znak paallnosti) ob..9. latí: n n i výsldná + n n + n Ob..9: Mtoda postpného zjdnodšování chaaktistik po paallní řazní sočástk c) ční pacovního bod nlinání sočástky gaficko-počtní mtodo Nlinání obvody obsahjící poz jdn nlinání zisto lz vždy zjdnodšit požitím Thévninovy věty na obvod obsahjící poz jdn napěťový zdoj 0, linání zisto i a daný nlinání pvk např. n viz ob..0. Volbo statického (klidového) pacovního bod volím i čité pacovní podmínky činnosti sočástky. acovní bod j čn stjnosměným pacovním napětím a pocházjícím stjnosměným podm. Nastavit požadovaný pacovní bod znamná přivést do (na) sočástky() odpovídající vličiny z napájcího zdoj. i 0 n Ob..0: Náhadní zapojní obvod s jdním nlináním zistom acovní bod čím pomocí zatěžovací přímky. Ta popisj všchny možné dvojic, linátní části obvod a lz poto čit z dvo bodů. Zatěžovací přímk čím njsnadněji z stav (dva výhodně vybané body přímky):. napázdno: (odpo n j odpojn, pod pocházjící obvodm = 0) na výstp obvod j napětí 0. nakátko: (odpo n j zkatován) pod pocházjící obvodm j nyní 8
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky nbo 0 K i 0 i K V půsčík zatěžovací přímky a nlinání VA chaaktistiky j pacovní bod, ktý sočasně vyhovj linání části obvod (zatěžovací přímc) i nlináním pvk ob... i K VA chaaktistika nlináního pvk A zatěžovací přímka 0 0 Ob..: ční pacovního bod nlinání sočástky - Ztátový výkon, ktý dodává do obvod napájcí zdoj po bod j 0. Gaficky s tnto výkon ovná ploš obdélník 0, 0, A,. - Výkon nlinání sočástky n s ovná sočin. Gaficky j tnto výkon ovn ploš obdélník 0,,,. - Ztátový výkon zisto i s ovná sočin 0. Gaficky j dán plocho obdélník, 0, A, říklad.. tabilizáto stjnosměného napětí j napájn stjnosměným napětím = 0 V. zistoy a Z mají hodnot 500. čt pacovní bod stabilizační diody. tanovt výkon ozptýlný diodo. VA chaaktistika diody j dána tablko. VA chaaktistika Znovy diody (ma) - -0-0 -30-40 -50 (V) -4,5-5,30-5,65-5,95-6,5-6,30 Z Z Řšní: Linání část obvod nahadím pomocí Thévninovy věty 0, i. Nakslím VA chaaktistik stabilizační (Znovy) diody. Z stav napázdno a nakátko čím zatěžovací přímk pacovní bod, ztátový výkon diody Z. 9
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky i 0 Z 0 V Z 0 Z K i 0 K Z Z 50 napázdno: = 0 = 0 =0 V bod A nakátko: = 0 0 04A bod B K 0 i, (V) -0-8 -6-4 - 0 A -0-30 B -50 (ma) = -5,8 V; -4,8 ma Z = = 85,84 mw říklad.. Nalznět pacovní bod nlináního pvk a stanovt jho ztátový výkon. Linaizjt v pacovním bodě nlinání pvk a čt paamty náhadního zapojní. (Řšt pomocí pincip sppozic a Thévninovo (Notonovo) věto). 4 A 0, 4 V 3 4 5 0, 3 4 5 N 4 3 0 0 Řšní: a) Njpv nahadím linání část obvod pomocí Thévninovy (nbo Notonovy) věty náhadním napěťovým zdojm 0 a k něm do séi řazným odpom i. vky náhadního obvod bdm řšit pincipm sppozic. (Tyto pvky můžm čit také mtodo smyčkových podů, zlových napětí). ční 0 : 0 4 0 3 0
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky (vnitřní odpo zdoj pod j ) 4 0 0 4 3 V (vnitřní odpo zdoj napětí j ) 4 0 0 4 V 0 0 0 3 5 V ční i : 4 i i 4 0, 4 7 4 b) Z stav napázdno a nakátko v náhadním schémat čím zatěžovací přímk a pacovní bod. napázdno: = 0 = 0 =5 V bod A nakátko: = 0 0 3,5 A bod B K i c) V půsčík zatěžovací přímky a VA chaaktistiky nlináního pvk získám pacovní bod. Odčtním hodnot a získám ztátový výkon nlináního pvk N. (V) A Výkon nlináního pvk N : - - 3 4 5 L B 3 4 tčna (A) N = =,75,5 = 4,375 W
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky d) Linaizac tčna v pacovním bodě nlinání odpo N nahadím lináním modlm séiovým zapojním difnčního odpo d a napěťovým zdojm L i i N d 0 N N 0 N. L 3, d Ω L odčtnoz gaf -V, N N 5, 4 0 L, d d N i L 75 A 5V, 75, Výkon nlináního pvk N : = N N =,75,5 = 4,375 W říklad.3. čt pod pocházjící nlináním pvkm, jso-li zadány hodnoty: = 4 V, = 30 V, = 5, = 0. Nlinání pvk j zadán VA chaaktistiko (linání část řšt analyticky pomocí KZ a pomocí Thévninovy věty). VA chaaktistika nlináního odpo N : (V) 0 3 4 5 6 (ma) 0 0 35 5 70 N Řšní: VA cha. nlináního odpo apoximjm vhodno křivko paabolo: (msí platit, ž obě křivky msí pocházt dvěma spolčnými body počátkm sořadnicového hod a dalším bodm např. A viz obázk). a) Z obázk čím konstant k: A 60 k V/A 5, 5 A omocí Kichhofových zákonů napíšm ovnic: () 0 (V) 0 0 40 60 A. A = [5,5; 60] A 0 3 4 5 6 7 (A)
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky k k z ovnic vyjádřím pody a, hodnoty dosadím do vztah () = 3,6 A, = 3,6 A, = 0,46 A Thévninova věta: Njpv nahadím linání část obvod pomocí Thévninovy (nbo Notonovy) věty náhadním napěťovým zdojm 0 a k něm do séi řazným odpom i. Z stav napázdno a nakátko v náhadním schémat čím zatěžovací přímk a pacovní bod. i 38 V, 3 3 0 i, 0 N = k k i 0 0 3, 66A ojmy k zapamatování Obvod linání, nlinání; VA chaaktistika; pacovní bod, odpo statický, difnciální (dynamický), linaizac, zatěžovací přímka. okd něktém z nich jště nozmít, vaťt s k nim jště jdno. Otázky. finjt ozdíl mzi lináním a nlináním obvodm.. finjt statický a difnciální odpo. 3. latí v nlináních obvodch Ohmův a Kichhoffovy zákony? 4. latí v nlinání obvod pincip sppozic? 5. Jak spol sovisí zatěžovací přímka a Thévninova věta při analýz nlináních obvodů? 3
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky 6. Jak získát pacovní bod, znát-li zatěžovací přímk a VA chaaktistik nlináního pvk? 7. Jak vyžijt základní zákony (a kté) při gafickém řšní nlináních obvodů (paallní, séiové a smíšné řazní pvků)? 8. o j to linaizac a kdy s požívá? Úlohy k řšní říklad. čt pod pocházjící obvodm, j-li napětí zdoj = 50 V. Jdnotlivé pvky jso dány svými chaaktistikami na obázk. 00 (V) 90 V 80 70 N N N N N N 60 50 40 30 0 0 0 0 0.5.5.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 (A) říklad. od, ktý potéká obvodm j = 0,5 ma. čt a) napětí zdoj, jso-li zadány VA chaaktistiky pvků (řšt gaficky): b) hodnot odpo VA chaaktistika odpo : (V) 0 3 5 (ma) 0 3 5 N 4
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky VA chaaktistika nlináního odpo N : (V) -5-4 -3 - - -0,5 0 0,5 (ma) -0,7-0,6-0,5-0,4-0,3-0, 0 0,6 říklad.3 čt ztátový výkon nlináního pvk, j-li zadáno: 0 = V 4 0 0 = A = Ω, = Ω, 3 = 3 Ω, 4 = 4 Ω N 3 Nlinání pvk j zadán VA chaaktistiko : 0 (A) 0 0,5 0,50 0,75,00,5,50,75,00 (V) 0,50,50 3,30 4,00 4,40 4,70 5,00 5,0 říklad.4 čt ztátový výkon nlináního pvk, j-li zadáno: 0 03 = 3 V, = V 0 = A, 4 = 4 A = Ω, = Ω 3 = 3 Ω, 4 = 4 Ω 4 4 N 3 03 Nlinání pvk j zadán VA chaaktistiko: (A) 0,0,0,5,8 3,0 3, 3,3 3,4 3,5 3,7 3,8 4,0 (V) 0 0,5,0,5,0,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 5
Základy analýzy obvodů s nlináními pvky Txt k postdování [] Fohn, M. idl, H.-J. Wim, M. Zastow,.: lktonika, polovodičové sočástky a základní zapojní. Bn, aha 006, BN 80-7300-3-3 alší zdoj [] Hoowitz,.- Winfild,H.: Th at of lctonics (scond dition). ambidg nivsity ss, ambidg 98 Miklc, M., Havlíčk, V.: Basic cicit thoy. Vydavatlství ČVT, aha, 005, BN 80-0-037-3 olčk, J.: Modní čbnic lktoniky. díl, BN, aha, 005, BN 80-730-6-6 4 May,.: Úvod do toi lktických obvodů, NTL, aha, 98, 5 Kphaldt, Tony.: Lssons n lctic icits, www.ibiblio.og/kphaldt/ Kospondnční úkol Bd zadán vyčjícím z množiny příkladů čných k samostatném řšní.. 6
olovodičové diody olovodičové diody Čas k stdi: 3 hodiny íl o postdování této části bdt mět objasnit pincip přchod N diody. ál bdt mět: navhnot spínač malých signálů zdoj fnčního napětí směňovač vyžít N přchod jako fotovoltaický čln kapacit řízno napětím posodit žimy diody v ůzných aplikacích VÝKLA. olovodičové matiály odl lktických vlastností dělím látky do tří skpin Vodič olovodič zolanty Njběžněji požívaným polovodičovým matiálm v sodobé lktonic j křmík (i, dřív gmanim G) Vlastní (intinsický) polovodič nobsahj příměsi, počt volných lktonů a dě ( pázdné místo po lktonch) j stjný (vlastní koncntac n i ) Nvlastní (xtinsický) polovodič j dotován ( znčištěn ) tak, ž při pokojové tplotě přvažj počt: 7
olovodičové diody lktonů polovodič typ N dotac asnm, fosfom ( daný lkton dono) dě polovodič typ dotac bóm, indim ( přijímají akcptjí lktony akcpto) Základní ovnic: n p n i Jstliž koncntac dě (p) ost, potom koncntac lktonů (n) úměně ovnici klsá a naopak. Kovové vodič: odpo ost s ůstm tploty (tplm ozkmitané atomy klado lktonům větší odpo). olovodič: odpo klsá s ůstm tploty (tplm s volňjí další volné nosič lktony nbo díy podl typ vodivosti). olovodič můž být v pvním přiblížní dfinován jako matiál, jhož lktické vlastnosti lží mzi vlastnostmi kovů (dobř vdo pod) a izolantů (nvdo pod). Křmík (čtvtý slopc piodické sostavy pvků, čtyři volné lktony) tvoří diamantovo kystalovo stkt. Všchny lktony (valnční) jso v ní poměně silně vázány. oto za nomálních poměů vůbc nvd pod (nižší tploty). ři zvětšování tploty (dodávání tplné ngi) s někté lktony z vazby volní, vodivost křmík ost (klsá spcifický odpo). Tto vodivost označjm jako vlastní. lktony přcházjí do tzv. vodivostního pás zůstává po nich stjný počt dě pázdná místa vakanc. Vodivost vlastního polovodič lz zvětšit přidáním (dotací) atomů pvků (příměsí) z 3. slopc piodické sostavy pvků (bó, indim) nbo z 5. slopc piodické sostavy (fosfo, asn). vky třtího slopc moho zapojit do kystalové vazby s křmíkm poz tři valnční lktony. V vazbní stktř jdn lkton chybí vzniká kladná día matiál typ (pozitiv). vky z pátého slopc zapojí do vazby s křmíkm čtyři lktony, al jdn lkton stál přbývá. Tnto přbytčný lkton lz poměně snadno (dodáním vhodné ngi tplné zářní, l. pol) volnit a tím zvýšit vodivost (zmnšit odpo) j záponý (ngativ) - matiál typ N. Vdní pod v dotovaných (xtinsických) polovodičích pobíhá dvěma způsoby. ohyb dě ) nbo volných lktonů vyvolaný lktickým polm (tdy napětím přiložným na polovodič) s nazývá dift. ohyb částic z oblasti s vysoko koncntací do oblastí s nízko koncntací s nazývá difúz (Fickův zákon [3]). V oblasti tplot 50 až 500 K j vodivost dotovaných polovodičů (nvlastních) čována dominantně koncntací příměsí. ávě sosdství nvlastního polovodič typ a typ N vytváří přchod -N, ktý j pincipiálně důlžitý např. po diody, bipolání tanzistoy (BJT) a nipolání tanzistoy s přchodm (JFTy). o tploty nad 500 K s začíná platňovat (dominj) vodivost vlastní. řchod -N j vlastně zšn. ochází k tplném přtížní sočástk. Tato oblast tplot j v aplikacích zakázána. oto s msím při všch aplikacích polovodičových sočástk postaat o to, aby nbyly tplně přtížny (volit vhodné typy podl ztátového výkon, chladit). ) ) ía s pohybj tak, ž j obsazna lktonm volněným z stkty. o tom zas zůstává día tím s día přsová 8
olovodičové diody. řchod -N (dioda) řchod j vytvořn v kystal vlastního polovodič (i, G) tak, ž vhodnými dotacmi s vytvoří oblast a oblast N, kté spol sosdí ob...a) Konvnčně dohodntý smě pod (pohyb kladného náboj histoická konvnc) j shodný s šipko v symbol diody ob...b) řchod j polaizován v popstném smě, jstliž na polovodiči typ (anoda) j kladné napětí a na polovodiči typ N (katoda) j záponé napětí (názvy anoda a katoda jso přvzaty z lktonk). J-li přchod -N bz vnějšího napětí nbo polaizován v záponém smě, vzniká oblast bz náboj (volného), ktá s nazývá ochzná vstva (dpltion lay) a ta vlastně tvoří přchod - N. Ochzná vstva vytváří kapacit. Šířka ochzné vstvy s zvětšj s ůstm napětí v závěném smě. oto kapacita přchod s ůstm napětí v závěném smě klsá. Ohmické kontakty a odpo matiál anody a katody vytváří álné odpoy řád jdnotk ohmů a limitjí tak maximální pod diody v popstném smě. Fnkci přchod -N můžm objasnit z fakt, ž v oblasti j vlký nadbytk dě ( ndostatk volných lktonů díky dotaci akcptom) a v oblasti N j vlký nadbytk volných lktonů (díky dotaci dono). V oblasti jso hlavními (majoitními) nosiči náboj díy a mnšinovými nosiči (minoitními) lktony. V oblasti N jso majoitními nosiči lktony a minoitními díy. ohmický kontakt N ohmický kontakt a) díy lktony minoitní díy minoitní lktony A K b) c) Ob..: a) incipiální zobazní spořádání přchod -N b) symbol diody s vyznačním anody (A) a katody (K) c) zvolná konvnc po napětí a pod diody [ > 0, > 0 popstný smě; < 0, < 0 závěný smě, vlmi malá hodnota]. 9
olovodičové diody.. řchod -N bz vnějšího napětí řdpokládjm njdřív, ž na přchod -N nní přiložno napětí ob... íky vlkém ozdíl v koncntacích dě (p) a lktonů (n) dochází k difúzi (pohyb) dě z do N a také k difúzi (pohyb) lktonů z N do (difúzní pody). V oblasti přchod (mtalgického) vznikn nábojová dvojvstva (stjný náboj opačné polaity) s vysoko intnzito lktického pol (od kladného náboj k záponém náboji). Tato intnzita (diftový účink) působí poti difúzi ( F q - viz olombův zákon). Když s diftové síly (pody) a difúzní síly (pody) vyovnají, j přchod v ovnováz, npotéká jím pod. vnitř dvojvstvy njso žádné volné náboj (poto ochzná) a jjí šířka s nastaví tak, aby pávě nastala ovnováha. Náboj odčpaný z oblasti odpovídá šířc ochzné oblasti v N x N a hstotě náboj v N (dáno koncntací donoů v N označj s N ). Náboj odčpaný z oblasti odpovídá šířc ochzné oblasti v - x a hstotě náboj v (dáno koncntací akcptoů v označj s N A ). otož si msí být náboj dvojvstvy ovny, platí x N x N (.) A N mtalgický přchod N difúz lktonů X X N difúz dě Ob..: Kvalitativní zobazní poměů v přchod -N bz vnějšího napětí ři stjné koncntaci příměsí (dotaci) tdy platí N A = N a také x N = x.ři ozdílných dotacích v a N zasahj ochzná vstva hloběji do oblasti s nižší dotací. Například po N N A (oblast N dotována méně) čím, ž x N N N A A x N N x Ochzná vstva zasahj hloběji do oblasti N. Napětí na ochzné vstvě ( ovnováha ) s nazývá difúzní napětí F a platí [], ž k T N A N ln F (.) ni kd k =,38 0-3 J K - j Boltzmanova konstanta 30
olovodičové diody T = absoltní tplota [K] =,60 0-9 j náboj lkton Toto napětí ovšm voltmtm nnaměřím. Na vnějších svokách (A, K) j v ovnovážném stav nlové napětí (vliv zbývajících nábojů, kté njso vázány v dvojvstvě). Šířka ochzné vstvy j dána vztahm d x x K (.3) N F po tzv. stmý přchod (slitinové tchnologi) nbo d x x K 3 (.4) N F po tzv. pozvolný přchod (difúzní tchnologi), K j konstanta závislá na konstkci diody (přchod)... řchod -N polaizovaný v popstném smě olaizjm nyní -N přchod v popstném smě ob..3 xtním zdojm napětí 0 (viz i ob...c). íy z oblasti s pohybjí (diftjí) do oblasti N a lktony z oblasti N s pohybjí (diftjí) do oblasti. ifúzní napětí F bylo přkonáno xtním napětím 0. N A K (+) i i (-) + > 0 Ob..3: Kvalitativní zobazní poměů v přchod -N v popstném smě Všimněm si, ž na ob..3 jso označny někté díy a lktony indxm i. V oblasti j i několik (málo) intisických lktonů a v oblasti N j několik (málo) intisických dě. Za nomálních poměů j pod vyvolaný (málo) intisickými nosiči v popstném smě pakticky zandbatlný. Ovšm při přhřátí stkty jjich počt pdc ost, můž dojít k zniční přchod. 3
olovodičové diody..3 řchod -N polaizovaný v závěném smě xtní napětí s přičítá (spponj) k difúzním napětí F. řs přchod potéká poz npatný pod vyvolaný intinsickými nosiči (indx i ob..4). Ochzná vstva přchod - N s ozšiřj, jjí kapacita klsá. N i i Ob..4: Kvalitativní zobazní poměů v přchod -N v závěném smě + Šířka ochzné oblasti v závěném smě j [9] po stmý přchod nbo d K F, 0 d K 3 F, 0 platí i po 0 F platí i po 0 po pozvolný přchod. Někdy s přznačj po závěný smě napětí na závěné napětí F ( vs) a potom platí d K F nbo d K 3 F Kapacit přchod v závěném smě pak čím z známého vztah 0 (.5) d tdy po stmý přchod K a po pozvolný přchod 0 F 3
olovodičové diody K 3 0 F (.6) kd j plocha přchod -N ε j lativní pmitivita (po i j ε = ) ε 0 j pmitivita vaka (ε 0 = 8,85 0 - F/m) Tohoto jv s vyžívá kapacitních diod (vaikap, vaakto)...4 Ampévoltová chaaktistika přchod -N (diody) Na základě fyzikálních zákonů a jjich matmatických modlů lz odvodit, ž pod diodo j dfinován vztahm T 0 (.7) kd j pod diodo ointovaný podl ob...c j napětí na diodě ointované podl ob...c O j nasycný (satační) pod diody (pod intisických nosičů ob..4) T k T ( 6 mv po T = 300 K) j tplotní napětí Někdy s v litatř [] dává vztah v podobě T 0 m (.8) kd m j mpiicky čná konstanta z intval až. Ampévoltová chaaktistika odpovídající vztah (.7) a (.8) j znázoněna na ob..5-0 0,6 ( i ) Ob..5: Kvalitativní zobazní ampévoltové (AV) chaaktistiky diody 33
olovodičové diody o (popstný smě) j T a platí T T 0 (.9) T o 0 a T (závěný smě) j a 0 (.0)..5 ifnční vodivost (odpo) diody v popstném a závěném smě, směňovací jv hování diody po vlmi malé změny napětí (pod) v okolí pacovního bod ob..6 můžm popsat pomocí difnční (příůstkové) vodivosti (odpo), kto považjm po malé změny za konstantní (linání). tčna v bodě i (t) t Δ (t) Δ t Ob..6: Zobazní časového půběh pod i (t) při změně napětí (t) v okolí pacovního bod v popstné oblasti finjm difnční vodivost g d z podíl příůstků Δ a Δ g d o vlmi malé změny Δ platí (m ) 34
olovodičové diody g d T 0 T d lim 0 (.) 0 d T Jstliž v pacovním bodě platí, ž vztah (.) vyplývá T, potom T T 0 0 a z gd (.) T Toto j vlmi důlžitý výsldk. ifnční vodivost j čna podílm pacovního (stjnosměného) pod a tplotního napětí T ( 6 mv při 300 K). o malé změny v oblasti pacovního bod platí i t gd t (.3) nbo id t t d i t (.4) g d T d (.5) g d j difnční odpo diody v pacovním bodě. J-li například = ma (0 ma) j d 6 V ma 6 6 V 0 m A, 6. Na ob..7 j kázáno, ž stjné změny napětí (t) v závěné oblasti nvyvolají téměř žádný pod diodo. (t) t Ob..7: Zobazní časového půběh pod i (t) při změně napětí (t) v okolí pacovního bod v závěné oblasti ifnční odpo d v závěném smě dosahj hodnot dsítk MΩ. 35
olovodičové diody Tnto ozdíl v hodnotě d můžm vyžít při konstkci diodových spínačů malých signálů viz příklad. ob..8. malý vstp. signál výstp 0 kω 0 kω Ob..8: incip spínání signál (diodový spínač) říklad. Analyzjt poměy v obázk.8 po = 0 V. Řšní: řdpokládjm, ž oddělovací kapacity jso volny tak vlké, ž j lz zandbat. o = 0 V bd potékat diodo stjnosměný pod 0 k 0,6 V 0 k 0,5 ma Tom odpovídá difnční odpo d 6 V 0,5 ma 5. o malé signály potom platí náhadní (signálové) schéma na ob..9a (idální zdoj napětí přdstavj po signál zkat). 5 Ω > 0 MΩ 0 kω 0 kω 0 kω 0 kω a) b) Ob..9: ignálové schéma obvod z ob..8 po a) = + 0 V b) = - 0 V Z náhadního schémat čím, ž po = + 0 V j 0 k 5 0 k 36
olovodičové diody o = - 0 V diodo npotéká pod, clé napětí = - 0 V j pakticky na diodě, tzn. = - 0 V. ifnční odpo diody j větší nž 0 MΩ viz signálové schéma na ob..9b a platí 0k 0M 0k 0 pciální případ nastan, j-li pacovní bod diody v počátk (nbo v jho blízkosti) a signál zasahj do popstné i npopstné oblasti (v čas) ob..0, kd část signál j potlačována a část popštěna. Hovořím o směňovacím jv (o směňování). Tímto způsobm s přvádí střídavé napětí z skndáního vintí tansfomáto na stjnosměné napětí. Jdnocstný směňovač j zobazn na ob... řipojný lktolytický kondnzáto vyhladí zvlnění směněného napětí. i (t) t t Ob..0: Kvalitativní zobazní směňovacího jv a) T b) T i T T (t) i (t) T + - Z c) t (t) (t) t T/ i (t) Ob..: a) Jdnocstný směňovač; b) ůběh napětí T (t) na skndáním vintí tansfomáto a pod i (t) nní-li připojna kapacita c) přšovaná čáa j sktčný půběh napětí bz kondnzáto (t), plná čáa pak s připojným kondnzátom (t) 37
říklad. olovodičové diody Analyzjt poměy v jdnocstném směňovači s filtačním kondnzátom na obázk.. Řšní: Nní-li připojn kondnzáto diodo pochází v kladné půlvlně pod omzný jho vlikostí odpo ob..b. J-li kondnzáto připojn plná čáa na ob..c j sitac složitější. ioda spíná poz v intval, kdy napětí na skndání staně vintí j větší nž napětí (t) v ob..c vyšafovaná oblast. od diodo tď nní omzn odpom, nabíjí kapacit, j spíš omzn jn odpom vintí tansfomáto a diody msí být dostatčně dimnzovány po tnto implsní povoz. Napětí má čito střdní hodnot s zvlněním Δ. řibližně platí, ž kondnzáto s po dob půl piody (T/) až piod (T) vybíjí podm /. J m poto přibližně odbíán náboj Q očasně msí platit T T Q a msí platit ovnost (změny náboj) f j fkvnc. f o dané, f a a požadované Δ tdy potřbjm kondnzáto f f Nbo můžm z daných hodnot čit zvlnění výst f výst. f.3 Lavinový jv, Znův jv ostocím závěným napětím s ochzná vstva ozšiřj. Má vlký odpo a j na ní ozložno clé přiložné napětí. ntnzita lktického pol naůstá, lktony začínají být z vazb vythávány. ři napětí B (Bak down) j jíž lktonům dělna taková ychlost (ngi), ž jso schopny vyazit z vazby další lktony (v ochzné oblasti) hovořím o náazové ionizaci lavinovém jv. Nní-li pod omzn séiovým odpom v vnějším obvod diody, ost pod nad všchny mz, dioda j znična. Hodnota B j fnkcí koncntac příměsi v polovodiči. ůstm koncntací příměsí hodnota B klsá, potož ochzná oblast s zžj a intnzita lktického pol v ní ost. ři dostatčně malé šířc ochzného pásma již moho vyažné lktony poltět do oblasti N, aniž stačí na kátké dáz vyvolat lavinový jv. Hovořím o Znově jv nbo tnlovém jv. 38
olovodičové diody Lavinový jv -8-6 TK B > 0 řvládá Znův jv TK B < 0 TK B 0 Ob..: Ampévoltová chaaktistika diody s vyznačním Znova a lavinového jv Lavinový jv dominj po B větší nž 8 V. Jho tplotní koficint j kladný - B s ůstm tploty naůstá (ost ozkmit atomové mřížky a to bzdí ychlné lktony a tdy omzj vznik lavinového jv). Znova jv již nní lavinový jv tak důlžitý. ozhodjící j, ž s ostocí tploto j třba k vytžní lktonů z vazby mnší ngi (lktického pol). Znovo napětí poto s ůstm tploty klsá, má záponý tplotní koficint (po B mnší nž asi 8 V) TK B. o napětí B 6 V působí oba jvy sočasně a jjich tplotní vlastnosti s pávě kompnzjí. Toto j vlmi výhodné při konstkci stabilizačních diod (Znových). Ampévoltová chaaktistika diody (přchod -N) s vážním pávě popsaných jvů j na ob... okd dojd při půaz i k tplotním přtížní byť j někté části přchod, zvyšj s intisická vodivost, chaaktistika s hotí přšovaná čáa v ob.. dochází k zniční přchod. okd j dioda vhodně konstovaná a ztátový výkon j omzn vhodně volným odpom, můžm napětí B vyžít k stabilizaci (paallní) napětí. iodě s přidělil symbol podl ob..3a a zvolí s šipková konvnc zd vdná Znova dioda. Napětí Z j fnkcí pod Z a můžm j popsat vztahm (po Z > Z min ) Z Z0 dz (.6) v okolí Z0 j napěťové kolno diody (po Z < ZMN již nstabilizj), význam d j zřjmý z ob..3b. Z d (.7) Z 39
olovodičové diody o mnší hodnoty Z s d pohybj v oblasti jdnotk Ω. Z Z Z Z0 a) kolno Zmin Δ Z b) Zmax Δ Z Ob..3: a) ymbol a šipková konvnc po Znov (stabilizační) diod b) ozkslná AV chaaktistika v závěném smě ožití: Znova dioda má šioko oblast požití. Njčastěji s vyžívá v stabilizátoch napětí, omzovačích, při ochaně lktických obvodů poti přpětí, v gnátoch nhamonických napětí, atd. říklad.3 Analyzjt zapojní lmntáního paallního stabilizáto napětí na ob..4. Z = 6 V d = 5 Ω ZMN = 0,5 ma ZMAX = 50 ma Z Z Z Z (nsmí být přkočn) Z Ob..4: aallní stabilizáto napětí s Znovo diodo Řšní: ovnici (.6) odpovídá lktický modl na ob..5. dální dioda přdstavj nlový odpo po Z > Z0 a nkončný odpo po Z < Z0. dální zdoj napětí má nlový vnitřní odpo (nní již fnkcí Z ) Závislost Z na Z j dána odpom d. 40
olovodičové diody 4 Z aplikac Ohmova zákona a Kichhoffových zákonů získám vztahy (přsné): Z d Z Z 0 (Ohmův zákon a. KZ) Z Z d Z Z Z Z 0 (Ohmův zákon) Z Z (. KZ) Z Z d Z Z d Z Z 0 0 Z Z d Z Z Z d Z Z 0 0 Z Z Z Z d d Z 0 0 Z Z d d Z Z d Z Z Z Z d Z 0 Z Z Z d 0 0 Z Z Z 0 0 řdpokládjm, ž d «, Z. otom platí, ž pod zátěží j (Ohmův zákon, přibližné vztahy): Z Z Z 0 od odpom j (Ohmův zákon a. KZ) Z Z 0 od diodo j (. KZ) Z Z Z Z Z 0 0 Tnto pod vyvolá na odpo d úbytk napětí Δ Z, ktý dfinj změny napětí Z jako fnkci d,, Z, (poovnj s přdchozím postpm):
olovodičové diody Z Z Z Z Z Z0 = d Z 5 Ω = 6 V Z Z a) b) Ob..5: a) lktický modl Znovy diody b) ignálový modl obvod z ob..4 Z d Z d Z0 Z0 Z Z Z0 Z Msí platit, ž Z Zmin. Mějm: = 00 Ω a = 8 V až 0 V. o Z (bz zátěž) j Z 8 6 00 6 až 0 6 00 6 0 ma až 40 ma Mzní diodový pod (ztátový výkon) nní přkočn. Odpovídající změny napětí jso Z d Z 500 3 až 5400 3 00 mv až 00mV (poti hodnotě Z = 6 V). Z ři minimálním napětí = 8 V potéká diodo pod 0 ma. řipojím-li zatěžovací odpo Z Z0 6V 300 0 ma Z nzbd žádný pod po diod ( Z < Zmin ). oto za daných poměů můžm připojit až zátěž větší nž 300 Ω. řipojím-li Z = 500 Ω, pak po napětí = 8 V až 0 V čím Z Z 8 6 00 6 500 až Z 8 ma až 8 ma 0 6 00 6 500 řipojním zátěž s snížil pod Z diodo a změny napětí jso nyní 0 ma až 40 ma Z d Z 580 3 až 5 80 3 40 mv až 40mV 4
olovodičové diody oblém na ob..4 můžm vyřšit i gaficky. Výhodné j ozdělit si obvod na část linání (,, Z ) a nlinání (Znova dioda popsaná AV chaaktistiko) ob..6. Linání část nahadím pomocí Thévninovy věty (viz. kap. ), dál řším gaficko počt-ní mtodo (viz. kap. ). linání část nlinání část i i Z Z Z AB Z Z 0 AB Z Z a) b) Ob..6: a) řkslní sitac z ob..4 b) Náhadní schéma po řšní nlinání části obvod omocí Thévninovy věty čím náhadní pvky lináního obvod napětí náhadního zdoj 0 a hodnot séiového odpo i ( zkatový pod K ) 0 Z Z i Z K 0 i Z hování linání části obvod j dfinováno zatěžovací přímko Z AB0 Z A Z ( ) ( Z ) Z B K gomtické místo všch možných hodnot napětí AB a podů AB po linání část obvod Ob..7: Gafické řšní paallního stabilizáto 43
olovodičové diody i Z 0 i AB K AB i ři j 0 : Z 0 AB AB AB0 0 Z bod A na ob..7 Z ři AB 0 j i K : K bod B na ob..7 Nikd jind s nmůž vyskytnot napětí (ani pod) linání části obvod (,, Z ). Nlinání část obvod zd Znova dioda j popsána AV chaaktistiko. řitom msí být v obvod splněna podmínka AB Z. Tato podmínka j splněna v pacovním bodě ( Z ), kd sočasně platí zatěžovací přímka i AV chaaktistika stabilizační diody. o Z j AB 0, stál platí K viz pacovní bod ( ). o příliš malé hodnoty Z hodnota AB0 klsá, pacovní bod s blíží koln v VA chaaktistic Znovy diody. Toto nní vhodný pacovní bod po stabilizaci napětí. Klsn-li hodnota napětí AB0 pod napětí Z0, npotéká stabilizační diodo žádný pod. Obvod nstabilizj. Napětí na zátěži j dáno poz děličm s, Z tdy přímo AB0..4 Fotodioda (fotojv) Fotodioda j polovodičová dioda, ktá j navžná tak, aby na -N přchod dopadalo světlo. Jjí AV chaaktistiky jso zobazny na ob.. 9 v. kvadant jso AV chaaktistiky "zhštěné", nboť dioda v popstném žim málo agj na osvětlní. V bodě fotodioda nagj na světlní vůbc poto s dioda v tomto kvadant npožívá. Fotolktický jv s pojvj v závěném smě a po malá napětí v popstném smě. a V. kvadant viz ob.. 9. řchod -N j spořádán tak, aby absoboval zářní 3), jhož ngi (kvanta) j 3) V všch přdchozích případch s snažím zajistit opak. Nní žádocí, aby jvy v přchodch -N byly ovlivněny zářním. oto, pokd j to možné, s požívají po zářní npopstná pozda. 44
olovodičové diody W g h (.8) kd h = 6,6 0-34 J s j lanckova konstanta ν [s - ] j fkvnc zářní itac j schématicky znázoněna na ob..8. okd j ngi zářní dostatčná, gnj v ochzné oblasti pá lkton-día viz ob..8. lktické pol v ochzné vstvě ychlj lkton do oblasti N a dí do oblasti. N pá lkton día ( A ) ( K ) h ν h ν Ob..8: Kvalitativní zobazní fotojv J-li dioda ozpojna (zapojna napázdno), vzniká na ní měřitlné napětí napázdno 0, kté závisí na intnzitě zářní logaitmicky (navíc j tplotně závislé). Tnto žim poto nní vhodný po fotomtické účly []. Jli dioda zapojna nakátko, obvodm potéká pod K, ktý j v šiokém ozsah přímo úměný intnzitě zářní. Tnto žim j poto vhodný po fotomtické účly. od směřj od K k A (j tdy záponý podl šipkové konvnc diody). Mzi stavm napázdno a nakátko pacj přchod v tzv. fotovoltaickém žim. V obvod přchod nní zapojn žádný zdoj napětí ani pod, chová s jako zdoj (slnční články) viz ob..9. Zatěžovací zisto s volí tak, aby fotočlánk dodával maximální výkon viz OT. otož výkon j dán sočinm napětí a pod, odpovídá maximálním výkon maximální plocha viz vyšafovaná oblast nálžjící k pacovním bod. OT V fotovoltaickém žim j ochzná vstva úzká a má vlko kapacit, poto i špatné fkvnční vlastnosti. Tto kapacit lz snížit ozšířním ochzné oblasti přiložním záponého napětí hovořím o fotovodivostním žim. Fkvnční vlastnosti jso zd lpší a pod stál lináně odpovídá intnzitě dopadajícího zářní. okd na fotodiod ndopadá zářní, chová s jako běžná dioda viz ob..9. kvadant. ožití: Někté fotodiody pacjí v odpoovém (fotovodivostním) i hadlovém (fotovoltaickém) žim poz v fotovodivostním žim poz v fotovoltaickém žim 45
olovodičové diody a) poz fotovodivostním žim zvkový snímač po optický záznam zvk b) poz v fotovoltaickém žim měřič lktického osvětlní atomatické ovládání světla xpozimty lxmty opstný smě bz zářní (nomální dioda) žim napázdno 0 ntnzita zářní (mw/cm ) OT žim nakátko K 3. kvadant < 0, < 0 4. kvadant > 0, < 0 fotovodivostní žim fotovoltaický žim (odpoový žim) (hadlový, zdojový žim) Z FOTO 0 h ν OT h ν FOTO Ob.. 9: AV chaaktistika fotodiody 46
olovodičové diody.5 hy diod odl tchnologi výoby j dělím na: lošné diody dělím na a) ifúzní dstička typ N s vloží do postřdí, kté obsahj volné akcptoy (v plynném stav). ři vysokých tplotách (po i 000 až 350, po G 700 až 800 ) ponikají akcptoy do základní dstičky (difndjí) a vytváří pod povchm oblast typ vzniká -N přchod. b) litinové na gmaniovo dstičk typ N s přiloží matiál s vlastnostmi akcpto např. indim (n). o zahřátí na 630 s G a n slijí vzniká -N přchod. ři homadné výobě j dstička typ N maskována a v masc jso otvoy poz v místch, kd má vznikat přchod -N. o zahřátí (na 630 ) s msí maska odlptat. Hotové diody na základní dstičk (i) typ N s přitlačí wolfamový hot. odovým implsm s stykové místo oztaví, čímž vznikn miniatní oblast typ s vlmi malo kapacito. Jso vhodné po vysokofkvnční obvody. o G s požívá hot z platiny lgované indim. Ob..0: dhy diod a) směňovací, b) hotová, c) miniatní, d,) výkonové, f) gmaniová ál j dělím na: miniatní diody s pacovním podm do 00 ma střdovýkonové diody s pacovním podm do A výkonové diody s pacovním podm nad A odl požití dělím diody na: všobcné diody po vícúčlové vyžití s obcnými paamty směňovací diody čny po zpacování přvážně skndáního napětí síťových T spínací diody po počítačovo tchnik; logické obvody 47
olovodičové diody směšovací diody po vf tchnik, tlviz, ádia a podob. dtkční diody v pásm GHz; satlity a podob. ojmy k zapamatování olovodič - dono, akcpto, typ a N; přchod N AV chaaktistika, difnční odpo; jv směňovací; lavinový, Znův a fotojv; dhy diod. Otázky. finjt polovodič typ N.. finjt polovodič typ. 3. Vysvětlt pojm ochzná vstva a jak sovisí s přchodm N. 4. opiště chování přchod N a) v popstném smě b) v závěném smě. 5. Můžm při řšní obvodů s diodami aplikovat Notonov nbo Thévninov vět? T 6. Vysvětlt význam symbolů v vztah 0. 7. Nakslt AV chaaktistik podl vztah z otázky 5. 8. Odvoďt difnční vodivost diody. 9. Vysvětlt směňovací jv. 0. oč jso stabilizační diody v oblasti cca 6 V tplotně njméně závislé?. opišt vyžití fotodiody.. Jakým způsobm získávám lkticko ngii z ngi světlné? Úlohy k řšní říklad. V laboatoním cviční jsm změřili A-V chaaktistik Znovy diody viz tablka. čt: 48
olovodičové diody a) statický odpo v popstném smě, j-li 0 ma b) difnční (dynamický) odpo v popstném smě ( 0 ma) c) statický odpo v závěném smě v oblasti kolna (, 4 ma) d) difnční odpo v oblasti kolna (, 4 ma) ) statický odpo v oblasti stabilizac ( 0 ma) f) difnční odpo v oblasti stabilizac ( 0 ma Tab. : opstný smě (V) 0,6 0,65 0,7 0,74 0,77 (ma) 0 0,5, 4, 6 F F Závěný smě (V) 0,75 3, 3,5 3,75 3,85 4,0 4, (ma) 0 0,5,0 4,0 7 0 5 0 (ma) 0 (mv) t m sint 0 Obázk k příklad. t 49
olovodičové diody říklad. a) Jaký pacovní bod diody s nastaví při napětí 0 = 400 mv a odpo = 40 Ω? b) Vyštřt gaficky závislost t a i t, t m sint, 00 m V, 400 V 0 m 0 m. jstliž připojím zdoj napětí říklad.3 J dána stabilizační dioda, jjíž chaaktistika v půazné oblasti 50 ma Z 300 ma j apoximována álným zdojm napětí d 9, 9 V, d alizjt toto diodo jdnodchý paamtický stabilizáto napětí viz obázk. od zátěží má být v mzích 0 Z 00mA a) čt po hodnot napěťového zdoj = 30 V hodnot odpo tak, aby diodo pocházl minimální pod Z = 50 ma b) čt napětí napázdno 0 a vnitřní odpo i náhadního zapojní stabilizáto napětí na svokách a, b. c) Kdy j Znova (stabilizační) dioda njvíc výkonově zatížna? d) Napájcí napětí s mění o 0 %. Jak vlký j činitl vyhlazní a činitl stabilizac? Z a Z Z Z tabilizáto napětí příklad.3 b říklad.4 K ladění zonančního obvod na obázk požijm kapacitní diod. ři napětí 4 V byla změřna kapacita diody 5 pf, hodnota odpo j = 00 kω. Vypočítjt: a) Závislost kapacity diody na napětí v ozsah 0 V V b) Náhadní zapojní kapacitní diody po střídavý signál viz obázk má paamty: 4, G μ, 5 pf při 4 V. okažt, ž při zonanční fkvnci f 00 Hzmůž být vodivost G d zandbána. 0 M 50
olovodičové diody G d d d Náhadní zapojní kapacitní diody po střídavý signál c) Vypočítjt indkčnost L tak, aby při 4 a 5 pf byla zonanční fkvnc f0 00 MHz. d) čt činitl jakosti Q zonančního obvod a šířk pásma B. ) Jaké bd njvětší napětí na diodě, bd-li s zonanční obvod přlaďovat v ozsah 00 MHz f0 50 MHz f) čt po f 50 MHz činitl jakosti Q a šířk pásma B. v L = 0 Ladění zonančního obvod kapacitní diodo oznámka: Kapacita V oddělj stjnosměno úovň a msí být tak vlká, aby po pacovní kmitočty přdstavovala zkat. Odpo o vlikosti = 00 kω j zahnt do analýzy. Zdoj napětí 0 0 složí k ladění zonančního obvod a po střídavý signál přdstavj zkat. Závěný pod diody vyvolá zandbatlný úbytk napětí na odpo poti 0. říklad.5 Zapojní s skládá s zdoj napětí 0, odpo a fotodiody viz obázk. haaktistiky fotodiody po ůzno intnzit osvětlní jso vdny na dalším obázk. Napětí zdoj 0 3V a odpo 0 k. 0, 5
olovodičové diody 0 = a) čt napětí na fotodiodě, pod diodo a napětí na odpo při intnzitě osvětlní = 000 mw/cm. b) ři jaké intnzitě osvětlní platí 0? Zapojní fotodiody příklad.5 c) čt výkonovo bilanci v obvod (A) = 0 mw/cm = 500 mw/cm = 000 mw/cm (mv) = 500 mw/cm = 000 mw/cm t říklad.6 Naksli kvalitativně půběh výstpního napětí vyst t, j-li půběh napětí vst m sint (diody a považjt opět za idální s nlovým úbytkm napětí v popstném smě): a) ; m b) ; m, 5