4. SEMESTR

1. ÚVOD DO ELEKTRONIKY, HISTORIE, ČASOVÝ PRŮBĚH NAPĚTÍ, ELEKTRICKÉ OBVODYÚvod do elektroniky – Elektronika je oblast vědy a techniky zabývající se studiem a využíváním jevů elektrické vodivosti ve vakuu, plynech a polovodičích. Obvykle dělíme elektroniku do tří oblastí:

Fyzikální (teoretická) elektronika – zkoumá principy vodivosti ve výše uvedených prostředích. Technická elektronika – zabývá se teorií a praxí součástek, které vycházejí z  těchto principů, tj. využívají ke své funkci fyzikálních jevů pohybu nosičů elektrického náboje

ve vakuu (elektronka), nebo v plynech (výbojka) nebo v polovodičích (tranzistor). Aplikovaná elektronika – zabývá se elektronickými obvody, tj. obvody, které obsahují elektronické součástky (v diskrétním nebo integrovaném provedení) takové látkové

struktury, které k účelovému řízení elektrického proudu nebo elektromagnetického záření využívají elektronu. Rychlý rozvoj a rozšiřující se využití elektroniky v nejrůznějších oblastech vedl ke vzniku tzv. hraničních oborů těsně souvisejících s elektronikou. Jedná se např. o optoelektroniku, chemotroniku, magnetoniku. Kvantová elektronika studuje a využívá vzájemné interakce fotonů a elektronů (lasery, tunelový jev), částečně se překrývá s optoelektronikou.

V běžné technické mluvě se pod pojmem elektronika rozumějí nejčastěji různé druhy elektronických obvodů a ty se třídí jednak podle druhu signálu (analogová, impulsová a číslicová elektronika), jednak podle oblasti použití (průmyslová, lékařská, vojenská, … nebo obecněji spotřební a investiční elektronika), jednak podle funkčního hlediska na informační (měřící, řídící, sdělovací, apod.) a na výkonovou (sloužící pro přeměnu a přenos elektrické energie)Elektrické obvody – jsou konstrukční útvary vzniklé spojením elektronických součástek se zdrojem elektrické energie. Jejich dalším účelově zaměřeným seskupováním jsou vytvářeny útvary vyšší – elektronická zařízení – zpracovávají signály buď analogové nebo číslicové (případně obojí), nebo tyto signály vytvářejí. Obvodová součástka (elektronický prvek) je neoddělitelná součást obvodu, která má přesně dané elektrické vlastnosti (parametry). Těmito parametry může být např. nejen odpor rezistoru či

kapacita kondensátoru, ale i prahové napětí diody či proudové zesílení tranzistoru.Součástky můžeme posuzovat podle několika hledisek.1. podle voltampérové charakteristiky je dělíme na

lineární prvky – jejichž základní parametr (kapacita, indukčnost) nezávisí na procházejícím proudu či napětí, mají lineární V-A charakteristiku a platí zde Ohmův z.

nelineární prvky – u kterých existuje závislost základního parametru na procházejícím proudu nebo přiloženém napětí. Chování těchto prvků se znázorňuje graficky, tzv. voltampérovou charakteristikou; jedná se o křivku závislosti proudu, který prvkem protéká na přiloženém napětí nebo opačně. V-A charakteristika nabývá různých tvarů (dioda, tranzistor, tyristor).

2. z   hlediska množství vývodu, kterými je prvek připojen do obvodu, rozlišujeme dvojpóly – odpory, diody čtyřpóly – transformátory vícepóly – integrované obvody

3. z   energetického hlediska můžeme prvky rozdělit na:- pasivní – mají elektrické vlastnosti stálé a v širokých mezích nezávislé na přiváděném proudu či napětí. V obvodu se chovají jako spotřebiče elektrické energie (odpor,

kondenzátor) aktivní – jejich elektrické vlastnosti jsou proměnlivé a řiditelné změnou napětí nebo proudu přivedeného na jejich vývody (zprostředkovávají přenos energie ze

stejnosměrného napájecího zdroje do střídavého signálu). V obvodu se chovají jako zdroje – do této skupiny řadíme tranzistory, některé druhy diod, atd.4. podle frekvenční závislosti

kmitočtově závislé prvky - cívky, kondenzátory kmitočtově nezávislé prvky - ostatní

Poměry, za kterých je prvek v elektrickém obvodu provozován, označujeme jako pracovní bod. Ten je určen napětím a proudem na prvku při jeho činnosti v obvodu.Statický odpor – v jistém pracovním bodě je určen jako poměr napětí a proudu, které tomuto bodu odpovídají (neměnící se podmínky v okolí pracovního bodu)Dynamický odpor – v určitém pracovním bodě je definován jako podíl změny napětí v okolí pracovního bodu a změny proudu odpovídající této změně napětí.

2. OBVODOVÉ SOUČÁSTKY, DVOJPÓLY, ZDROJE A SPOTŘEBIČE, JEDNOBRAN A DVOJBRAN.Elektronický obvod může správně, spolehlivě a bezpečně pracovat pouze proto, že jeho součástky (rezistory, kondenzátory, tranzistory), ze kterých se skládá jsou voleny podle určitých charakteristických vlastností (odpor, kapacita, atd.) a vzájemným pospojováním buď do série (za sebou) nebo paralelně (vedle sebe). Obvodové součástky - zajišťují požadovanou činnost elektrického obvodu a jsou dále nedělitelné.Můžeme rozdělit na klasické a SMD. Při klasické montáži se vývody součástek nejprve vytvarují dle otvorů na desce plošných spojů (DPS), pak jsou umístěny na jednu stranu DPS a připájeny z druhé strany. Pájení je buď ruční a nebo strojní – pájecí vlnou.Součástky SMD(Surface Mount Device) – součástky pro povrchovou montáž. Svým charakterem a provedením se odlišují od klasických součástek. Mají menší rozměry, jejich přívody se nezasouvají do děr ale pájejí se na DPS ze strany spojů. na svém povrchu jsou schopny bez poškození odolávat teplotám kolem 260°C po dobu nejméně 10 s a tím jsou určeny pro pájení v pájecích automatech. V současnosti se touto technologií osazuje kolem 60 – 70 % DPS, a to pro její nesporné výhody (zmenšuje se rozměr a hmotnost DPS, zmenšuje se počet prokovaných děr, zvětšuje se montážní hustota s možností oboustranné montáže,…) Součástky SMD jsou osazovány automatem. Tento automat musí být schopen osazovat různé součástky, přičemž jeho výkon při osazování musí být 10 tis. – 500 tis. součástek za hodinu.Rozdělení elektronických součástek1) Podle počtu vývodů, kterými se elektronická součástka zapojuje do elektronického obvodu (dvojpóly – rezistor, dioda; vícepóly - tranzistor)2) Podle počtu dvojic svorek (bran), které slouží k přivedení signálu do elektronické součástky a k následnému odvedení do další části elektronického obvodu (brány)3) Podle využití energie v elektronickém obvodě (aktivní (tranzistor) x pasivní(rezistor))a zdroje4) Podle závislosti obvodových veličin (lineární(rezistor) a nelineární (dioda))5) Podle frekvenční závislosti (odporové a reakční)Rezistor je pasivní (spotřebovává elektrickou energii, přesněji řečeno jí přeměňuje na teplo, které vyřazuje do prostoru) odporový lineární jednobran.Tranzistor je aktivní nelineární dvojbran a v elektronickém obvodu se stejnosměrným proudem (napájeným z monočlánku, baterie, napájecího zdroje s usměrňovačem) se chová jako spotřebič, tudíž je součástkou odporovou (v obvodech se stejnosměrným proudem).Naopak kondenzátory se při "nabíjení" chovají jako spotřebiče a při "vybíjení" naopak jako zdroje.Z toho pramení, že součástky musíme hodnotit vždy podle situace, ve které sledujeme jejich vlastnosti. Dvojpóly – jedná se o elektrické obvody sestavené z různých elektronických prvků, které znázorňujeme jednoduchým čtvercem s vyvedenými svorkami. Toto zjednodušení nám umožňuje matematické řešení obvodů bez ohledu na to, jaké je tvoří obvodové součástky. Vlastnosti se posuzují podle vnějších obvodových veličin proudu a napětí. Z energetického hlediska je můžeme rozdělit na: aktivní – obsahuje-li dvojpól kromě základních elektronických součástek i zdroj elektrické energie pasivní – obsahuje-li dvojpól pouze pasivní součástky, které nemají vazby s vnějšími členyPodle závislosti obvodových veličin, tj. podle A-V charakteristiky, se jednobrany rozdělují na: lineární – skládají se z lin. součástek, tj. součástek, jejichž závislost mezi proudem a napětím lze vyjádřit lineární rovnicí U = Z

* I. nelineární – stačí aby alespoň jeden prvek tvořící jednobran byl nelineární a tím je celý jednobran nelineární. Dvojpóly můžeme mezi sebou spojovat sériově nebo paralelně. Tímto spojením dostaneme nový dvojpól, jehož vlastnosti jsou dány vlastnostmi jednotlivých spolu spojených dvojpólů. sériové spojení – oběma dvojpóly prochází stejný proud a celkové napětí je dáno součtem napětí na jednotlivých dvojpólech. Pro nově vzniklý dvojpól platí vztahy U = U1 + U2

I = I1 = I2 = konstantní Voltampérová charakteristika nově vzniklého dvojpólu se zjišťuje graficky z dílčích charakteristik dvojpólů 1 a 2 tak, že se bod po bodu při konstantním proudu sečítají napětí.

paralelní spojení – vznikne nový dvojpól, pro které platí vztahy I = I1 + I2 U = U1 = U2 = konstantníNová voltampérová charakteristika se opět zjistí graficky součtem dílčích proudů dvojpólů 1 a 2 při konstantním napětí. V elektronic

Součástky, které zapojujeme dvěma vývody (svorkami) do elektronického obvodu jsou dvojpóly (např. rezistory).Po zapojení dvojpólu začne procházet elektrický proud právě zapojenou součástkou a na svorkách se vytvoří napětí (je závislé na proudu) a říká se mu svorkové. Konkrétní průběhy napětí a proudu charakterizují určitou součástku a podle charakteristiky můžeme určit zda se jedná o rezistor, kondensátor či jinou elektronickou součástku.Matematické vyjádření vztahu mezi proudem a napětím se nazývá: "Charakteristická rovnice součástky".Grafické vyjádření vztahu mezi proudem a napětím se nazývá: "Voltampérová charakteristika součástky". Voltampérová charakteristika se značí V-A charakteristika.Jednotlivé dvojpólové elektronické součástky se od sebe liší právě průběhem jejich charakteristik a podmínkami, při kterých můžeme dosáhnout určitých průběhů (např. frekvencí).Vícepólové elektronické součástky (např. tranzistory) zapojujeme do elektronického obvodu více než dvěma vývody.Tranzistor je trojpól, protože má tři elektrody (kolektor, editor a bázi).Transformátor je čtyřpól, protože primární cívka má dvě svorky a sekundární cívka má také dvě svorky (jedná-li se o transformátor jednofázový) a dohromady to tvoří čtyři svorky, tedy čtyř pól.Integrovaný obvod může mít vývodů "nespočetně", např. mikroprocesory do počítačů můžou až 300 vývodů ("nožiček") a proto se těmto součástkám přiřadil název vícepóly.U více pólu nelze chování elektronické součástky popsat jednou Voltampérovou charakteristikou. K vyjádření vlastností obecného npólu je nutné znát n nezávislých rovnic popř. V-A charakteristik Jednobrany, dvojbrany a vícebranyV některých vícepólových elektronických součástkách můžeme najít svorku, do které se uzavírají proudy procházející alespoň dvěma dalšími svorkami. Její potenciál slouží zpravidla jako pro určení napětí ostatních svorek. Jednotlivé svorky tvoří s touto společnou svorkou "dvojice", kterým se říká brány.Dvojice svorek, které slouží ke vstupu (přivedení) signálu se nazývají vstupní svorky (vstupní brána) a svorky odvedení signálu do další části elektronického obvodu se nazývají výstupní

svorky (výstupní brána).Vícepóly, které splňují tyto vlastnosti nazýváme nbrany.Je zřejmé, že i vícepól s lichým vývodů (svorek) je tímto způsobem doplněn na nbran (např. tranzistor na dvojbran).Zřejmé je, že dvojpól můžeme ztotožnit s jednobranem (svorky dvojpólu tvoří jednu bránu).Termín čtyřpól již nemůžeme zaměňovat s termínem dvojbraň, protože dvojbrany jsou jen učitou skupinou obecnějších obvodů nazývaných čtyřpóly. Podobný vztah je mezi npóly a nbrany. Součástky lineární a nelineárníJe-li grafem V-A charakteristiky dané elektronické součástky (např. rezistoru) přímka jde o přímou lineární úměrnost mezi napětím na součástce a proudem procházejícím elektronickou součástkou.Je zřejmé že zvětšíme-li stejnosměrné napětí 2x, 3x, nkrát, zvětší se i procházející stejnosměrný proud 2x, 3x, nkrát. Přivedeme-li mezi vývody součástky napětí, které má harmonický průběh. Při stálé frekvenci bude opět platit lineární úměrnost mezi okamžitými hodnotami napětí a proudu. Příčinou tohoto chování je skutečnost, že elektronická součástka má stále stejné vlastnosti, nezávislé na obvodových veličinách. Součástky, které splňují výše uvedené podmínky nazýváme lineární.Nelineární součástky mají V-A charakteristiku zakřivenou. Proto se u nelineární součástek udává V-A charakteristika grafem, místo hodnot v "tabulce", protože by byla značně rozsáhlá. Graf je sestaven z naměřených hodnot. Konkrétní průběh V-A charakteristiky závisí opět na druhu součástky a na podmínkách, při kterých byla V-A charakteristika zjištěna.Přivedeme-li mezi vývody nelineární součástky napětí harmonického průběhu bude mít procházející proud neharmonický, nelineárně (tvarově) zkreslený průběh, protože vlastnosti nelineární součástky jsou závislé na velikosti, popřípadě i na orientaci obvodových veličin. Součástky odporové a reakčníVlastnosti odporových elektronických součástek nejsou v širokých mezích závislé na frekvenci procházejícího proudu. Proto mají odporové součástky pro proud stejnosměrný i střídavý stejný průběh V-A charakteristiky.Vlastnosti reakčních součástek jsou na frekvenci závislé. Proto dostáváme pro každou frekvenci jiný průběh V-A charakteristiky. Kdybychom zjišťovali V-A charakteristiku cívky bez jádra, získali bychom opět přímkovou závislost produ na napětí. Při nulovém proudu je i svorkové napětí nulové a proto hledaná přímka prochází počátkem souřadnic. Sklon (směrnice) zjištěné přímky však závisí na frekvenci procházejícího proudu. Při nízké frekvenci vykazuje cívka malý odpor a při určitém napětí prochází vinutím cívky větší proud než při stejném napětí, avšak vyšší frekvenci, při které má cívka větší odpor.

Vlastnosti nelineárních reakčních součástek jsou závislé na hodnotách působících obvodových veličin i na frekvenci. V-A charakteristiky jsou nelineární a jejich průběh je jinný pro každou frekvenci. Náhradní schéma součástekZnázorňuje všchny vlastnosti součástky, které se projevují činně, ale i skrytě (rezistivita, parazitní indukčnost či kapacitance). Charakteristiky součástekGraficky znázorňují závislost jedné veličiny na druhé veličině.Nejčastěji se jedná o Volt-Ampérovou charakteristiku (VA), při které je na ose X "vyneseno" napětí a na ose Y proud a "křivka" mezi jednotlivými osami vyjadřuje nejčastěji odpor či vodivost.

3. ŘEŠENÍ LINEÁRNÍCH OBVODŮ, LINEÁRNÍ PRVKY, REZISTORY, KONDENSÁTORY, CÍVKYLin. obvod – obsahuje pouze lineární obvodové prvky

- při jejich řešení používáme KZ a metody z nich vyplývající: zákon – smyčkových proudů

- uzlových napětí - lineární superpozice

- hledáme-li napětí nebo proud na prvku elektrického obvodu. lze řešení značně zjednodušit použitím Théveninovy nebo Nortonovy poučky. Při řešení složitějších obvodů se někdy označuje Théveninova poučka jako Pollardův teoem. Pro řešwní el. obvodů používáme :

o Théveninovu poučkuo Nortonovu poučkuo ekvivalenci zdrojů

Théveninova poučka – používá se pro řešení obvodů obsahujících pouze lineární prvky. Libovolný obvod složený z řady lineárních členů a mající 2 výstupní svorky se chová k zatěžovacímu rezistoru, který je připojen k těmto svorkám tak, jako by byl celý obvod tvořen jednoduchým ideálním zdrojem s napětím U0 spojeným v sérii s rezistorem představujícím vnitřní odpor Ri. Napětí náhradního zdroje U0 se rovná napětí na svorkách daného obvodu při odpojení zátěži (napětí naprázdno). Vnitřní odpor Ri v náhradním obvodu se rovná odporu naměřeném mezi výstupními svorkami daného obvodu při odpojené zátěži, jsou-li všechny napěťové zdroje zkratovány a proudové zdroje vyřazeny.Nortonova poučka – libovolný obvod složený z řady lineárních členů lze nahradit náhradním obvodem tvořeným zdrojem konstantního proudu I0, ke kterému je paralelně připojen rezistor představující vnitřní odpor Ri. Proud I0 náhradního zdroje se rovná proudu mezi svorkami obvodu, jsou-li spojeny nakrátko.Vnitrní odpor Ri v náhradním obvodu určujeme obdobně jako při řešení pomocí Theveninovy poučky, tj. jako odpor, který bychom naměřili mezi výstupním svorkami původního obvodu při podpojené zátěži jsou-li všechny zdroje proudu v obvodu odpojeny a všechny zdroje napětí zkratovány.1.KZ algebraický součet proudů v libovolnm místě elektrického obvodu se rovná nule.2.KZ alg. součet všech svorkových napětí zdrojů a všech úbytků napětí na spotřebičích se rovná nule.Rezistor je pasivní, elektrický, symetrický jednobran, který realizuje fyzikální veličinu elektrický odpor.Vodič má odpor 1 tehdy, protýká-li jím stejnosměrný proud o velikosti 1 A při napětí 1 V.

Dělení : podle počtu vývodů :

2 vývody (pevná nebo nastavitelná hodnota) 3 a více vývodů (pevná nebo nastavitelná hodnota)

Technologie : drátové – na izolované kostře (válcové, keramické ) je navinut odporový drát z Konstantinu nebo manganinu. Slouží pro vyšší výkonové zatížení. Jsou konstruovány i

s odbočkou či nastavitelné vrstvené – jsou nejrozšířenější. Na keramickém tělísku je napařená odporová vrstva, je opatřena čepičkami, ke kterým se připojí vývody a celek se zalakuje velikost odporu

se dostaví prodlužením odporové cesty např.spirálou. tmelené – podobná konstrukce.

Kondenzátor je dvoupólová pasivní lineární symetrická součástka, která je nositelem fyzikální veličiny kapacity. Jednotkou kapacity je Farad [F].Dělení : Podle dielektrika : vzduchové – velmi kvalitní, kapacity jednotky až desítky pF

papírové, metalizovaný papír – C = 100 pF až 1Fplastová fólie – desítky pF až stovky nFslídové – velmi kvalitní, až jednotky NFkeramické – do 200 nF, pro blokování, kvalitní. deskovéskleněné – pro průchodky, desítky,stovky pFelektrolytické- F až 100 mF, nekvalitní POLARIZACE !tantalové – kvalitnější elektrolytické

Podle konstrukce : pevné, proměnné, dolaďovacíPodle elektrod : svitkové, válcové, deskové, průchodkové, bez drátových vývojů.

Cívka jako obvodová součástka. Definice cívky, sériové a paralelní náhradní schéma, definice hlavních parametrů. Výpočet jednovrstvé a vícevrstvé cívky, lineární cívky s jádrem a cívky s hrníčkovým jádrem.Cívka je lineární symetrická dvojpólová součástka, která je nositelem fyzikální veličiny indukčnosti.Mohou být různé konstrukce, ale ve své podstatě jde vždy o mnohonásobně svinutý vodič.Protože je vinutá z vodiče, který nemá nulový odpor, je u cívek relativně velký parazitní odpor.Náhradní schéma sériové

Do RS je započítán odpor vodiče, skin efekt,hysterezní ztráty a všechny činné ztráty.

Náhradní schéma paralelní pro Q 10 platí LS = LP RP = Q2*RS

Skin efekt – jev, který nastává ve vodičích, kterými protéká vysokofrekvenční proud. Nosiče náboje se přesouvají vyžšší rychlostí u povrchu vodiče, a uprostřed neprotéká proud skoro žádný. Odpor vodiče se tedy zvětší.

Konstrukce cívekCívky bez jádra -na dielektrické kostře nebo samostatné

mohou být válcové nebo toroidníCívky s jádrem – jádro zmenšuje magnetický odpor a rozptyl magnetického pole a zvyšuje indukčnost

Jádra : válcová, toroidní, hrníčková, speciálníJádra jsou z měkkých feromagnetických materiálů s velkým r, velkou linearitou a nízkými ztrátami.Návrh cívek Z definice indukčnosti vyplývá vztah, kterého lze použít pro návrh jednovrstvé cívkyS uzavřeným feritovým jádrem – hrníčková.

4. ŘEŠENÍ OBVODŮ S   NELINEÁRNÍM JEDNOBRANEM POMOCÍ GRAFICKOPOČETNÍ METODY. Graficko početní metoda se využívá při řešení obvodů s nelineárními prvky. Obvod skutečného zdroje napětí zobrazíme zatěžovací charakteristikou. Do stejného souřadnicového systému zobrazíme voltampérovou charakteristiku nelineárního prvku jako zátěž. Pracovní bod je v průsečíku lineární části zatěžovací charakteristiky a voltampérové charakteristiky nelineární části. soustava charakteristik

1. kvadrant – výstupní charakteristika 3. kvadrant - vstupní charakteristika 2. kvadrant – převodní charakteristika 4. kvadrant – zpětná charakteristika

V-A charakteristiky nelineárních jednobranů nebývají dány analytickým předpisem, ale grafem nebo tabulkou. Z tohoto důvodu se řeší grafickopočetními metodamiNastavení pracovního boduZnáme pracovní bod a tedy i statické hodnoty proudu a napětí odečtené z grafu. Dále máme určitý zdroj napětí nebo proudu. Používáme li sériové zapojení, musíme část napětí ztratit na odporu, kterým prochází proud pracovního bodu.Používáme-li paralelní zapojení, musíme odporem odvést část proudu, na rezistoru je pracovní napětí.Vyšetření pracovního bodua) pomocí zatěžovací charakteristiky – do VA charakteristiky vyneseme zatěžovací charakteristiku zdroje (nahrazeného Théveninovou větou). Daný pracovní bod pak leží na průsečíku charakteristik.b) Do v-VA char. zakreslíme VA char. odporu. sestrojíme součtovou charakteristiku. Na této char. najdeme proud I=IP

který odpovídá přiloženému napětí U0. Z průsečíků přímky IP z char. žárovky zjistíme UP, z průsečíku s char. odporu zjistíme UR.

6. POLOVODIČE; PŘECHOD PN; POLOVODIČOVÁ DIODA (PLOŠNÉ, HROTOVÉ, STABILIZAČNÍ) A JEJICH VYUŽITÍPolovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit. Změna vnějších podmínek znamená dodání některého z druhů energie – nejčastěji tepelné nebo světelné, změnu vnitřních podmínek představuje příměs jiného prvku v polovodiči.Mezi polovodiče patří prvky křemík, germanium, selen, sloučeniny arsenid galia GaAs, sulfid olovnatý PbS, ad. Většina polovodičů jsou krystalické látky, existují však také polovodiče amorfní.Přechod P-N je oblast na rozhraní příměsového polovodiče typu P a polovodiče typu N. Přechod P-N se chová jako hradlo, tzn. propouští elektrický proud pouze jedním směrem.Vlastností přechodu P-N se používá v polovodičových součástkách - diodě, tranzistoru, fotodiodě a dalších.Princip činnosti přechodu P-NVznik vyprázdněné oblastiV příměsovém polovodiči typu N je přebytek volných elektronů, v polovodiči typu P je přebytek kladných děr. Při spojení těchto polovodičů zaniknou rekombinací elektronu s kladnou dírou na rozhraní volné nosiče nábojů v oblasti určité šířky. Zbylé nepohyblivé ionty zapříčiní vznik elektrického pole na přechodu PN. Směr elektrického pole je přitom takový, že brání zbylým volným nosičům nábojů pronikat přes rozhraní.Zapojení v propustném směruJestliže se kladný pól zdroje připojí k polovodiči typu P a záporný pól k polovodiči typu N, dojde k zeslabení elektrického pole na přechodu P-N, případně k jeho úplnému zrušení, takže nosiče nábojů mohou přes rozhraní volně procházet. Přechod P-N propouští elektrický proud.Zapojení v závěrném směruJestliže se kladný pól zdroje připojí k polovodiči typu N a záporný pól k polovodiči typu P, dojde k rozšíření vyprázdněné oblasti a zesílení elektrického pole na přechodu P-N, takže přechod nosičů nábojů přes rozhraní se ztíží. Přechod P-N nepropouští elektrický proud.Polovodičová dioda se skládá ze dvou příměsových polovodičů - jeden polovodič je typu N (katoda) a druhý polovodič je typu P (anoda). Na rozhraní polovodičů vznikne přechod P-N (hradlová vrstva), který v ideálním případě propouští proud pouze jedním směrem.Základem diody bývá křemíková nebo germaniová destička, obohacená z jedné strany o prvek s pěti valenčními elektrony (fosfor, arsen), z druhé strany o prvek s třemi valenčními elektrony (bor, hliník, gallium, indium). Vzájemným silovým působením mezi částicemi se na přechodu P-N vytvoří vnitřní elektrické pole.Použití polovodičové diody

Usměrňovací dioda - usměrnění střídavého proudu (samostatně nebo jako součást usměrňovače) Stabilizační (Zenerova) dioda - vyrovnávání průběhu proudu ve stabilizačních obvodech LED dioda - signalizace průchodu proudu (s nízkým nárokem na spotřebu) nebo zdroj světla např. v optických myších Fotodioda - součást fotobuněk, polovodičových detektorů záření nebo slunečních článků

Jde o polovodičové součástky, které většinou obsahují jeden přechod PN nebo MS. Existují i diody obsahující více přechodů, ale pro určení vlastností součástky je rozhodující přechod jeden a ostatní mají pomocný význam. Na druhé straně existuje tzv. Gunnova dioda, která neobsahuje žádný přechod PN. Její princip spočívá v nerovnoměrném rozdělení koncentrací příměsí jednoho typu vodivosti (arsenik galia typu N). Při přiložení stejnosměrného napětí velké hodnoty se na ní vytvářejí elektrické kmity. Používá se v směšovačích u družicového přenosu. V praxi se diody rozdělují podle různých hledisek, které se vzájemně překrývají.Z hlediska konstrukce:

hrotové plošné (slitinové, difuzní, planární a Schottkyho) mikroplošné

Podle použití: usměrňovací (nízkovýkonové a výkonové) detekční a spínací stabilizační a referenční (tzv. Tenorový) tunelové a inverzní kapacitní (varikapy a varaktory) luminiscenční (svítivé a laserové) fotodiody speciální diody

Jde tedy o polovodičové součástky, obsahující většinou jeden přechod PN opatřený dvojicí vývodů a pouzdrem. Vývod připojený k oblasti s vodivostí P se nazývá anoda a označuje se A, vývod připojený k oblasti s vodivostí N se nazývá katoda a označuje K.Změny teploty přechodu odpovídající dovolenému rozmezí provozních teplot způsobují změny všech vlastností součástek. V polovodiči je zdrojem tepla přechod PN. Toto teplo se musí odvést do okolí. V běžných aplikacích se teplo odvádí do okolí pomocí hliníkových chladičů. (max. teplota polovodiče z germánia je 85°C, křemíkových asi 175°C. Při překročení těchto teplot dochází k poškození přechodu PN a tím i vlastní součástky)Hrotové diody – využívají zdánlivě přechodu kov – polovodič. Ovšem jedná se o miniaturní přechod PN. Mezi tyto diody patří i z historie známý galenitový detektor (krystal), který se používal v prvních krystalových přijímačích – krystalkách.Hrotové germaniové diody se vyrábějí z germánia typu N. Čtvercová, opracovaná destička Ge rozměru asi 1 x 1 x 0,1 mm připájí k držáku, který se umístí do skleněné trubičky. Proti ní se posunuje držák s esovitě zahnutým wolframovým drátkem s hrotem, na jehož konci je oblast s vodivostí typu P. V okamžiku, kdy dojde k přitlačení hrotu do germánia (dojde k elektrickému kontaktu), posut drátku se zastaví a skleněná trubička se na obou koncích zataví. Tato dioda se formuje elektrickým impulsem v propustém směru. Vlivem značné teploty se pod hrotem pozmění krystalická struktura a vznikne přechod PN.Plošné diody – vyrábějí se několika technologiemi : slitinová technologie – na základní destičku monokrystalu se položí legující materiál ve tvaru kuličky, válečku, … Destička se uloží do žíhací pece s interní atmosférou a zahřívá se

na požadovanou hodnotu. U Ge je to 550°C u Si 1400°C. Legující látka se roztaví a slije se s částí zákl. materiálu, po vychladnutí a rekrystalizaci zůstane část legujícího materiálu v destičce, vytvoří inverzní oblast vůči původní a vznikne přechod PN.

difúzní technologie – jedná se o nejčastější technologii výroby přechodu PN. Spočívá v difúzi příměsí plynné nebo kapalné fáze do základní destičky při vyšších teplotách. Např. Si destička s požadovanou vodivostí N se vloží do plynné atmosféry s teplotou 1200°C a nechá se působit dotující plny (sloučenina fosforu pro P) tak dlouho, až dotující molekuly proniknou do požadované hloubky, která bývá 1 až 15μm. Na rozhraní obou prostředí vznikne přechod PN, který je pozvolný. U této technologie lze přesně řídit hloubku difúze v delsím časovém intervalu.

planární technologie – do krycí oxidové vrstvy se vyleptá otvor, a tím se potom provede na požadovaném místě příslušná difúze. Před leptáním se pokryje oxid fotocitlivou želatinovou emulzí (fotorezistem), ultrafialovou výbojkou se osvětlí přes masku místo, které se nemá leptat. Světlo vytvrdí lak, na neexponovaném místě se rozpouštědlem odstraní

fotorezist a leptadlem se vyleptá v kysličníku stabilita jeho parametrů. Otvor se potom překryje napařeným hliníkem a přiboduje se vývodní elektroda (Au drát). Vzniklý přechod je tedy na povrchu chráněný.

Schottkyho dioda je typem plošné diody, která využívá přechodu kov-polovodič. Vedle kovu je polovodič typu N. Většinové elektrony při styku obou látek pronikají z polovodiče do kovu. Zde se vzhledem k jeho vodivosti rozptýlí a nevytvoří oblast prostorového náboje jako u přechodu PN. V polovodiči vznikne v blizkosti kovu tak silné odčerpání elektronů, že převládnou co do počtu menšinové nosiče (díry), dochází ke změně vodivosti z N na P, k tzv. inverzi vodivosti. V polovodiči tedy vznikne přechod s jednosměrným ventilovým účinkem. Po přiložení napětí v propustém směru (kladné napětí na kovu) přecházejí elektrony jako většinové nosiče přechodem do kovu, kde jsou zase většinovými nosiči a vlivem jeho vodivosti se ihned rozpýlí a nevytvoří nadbytečné nosiče.Stabilizační diody – používáme je ke stabilizaci napětí při kolísání vstupního napětí nebo při proměnné zátěži. Přitom zanedbáváme vliv teploty okolí.

7. POUŽITÍ PLOŠNÝCH POLOVODIČOVÝCH DIOD (USMĚRŇOVAČE – JEDNOPULZNÍ, DVOJPULZNÍ, MŮSTKOVÉ ZAPOJENÍ; ZDVOJOVAČE A NÁSOBIČE Usměrňovač je elektrické zařízení, které se používá k přeměně střídavého elektrického proudu na proud stejnosměrný. Protože elektronické obvody ke své činnosti obvykle potřebují stejnosměrný proud a k distribuci elektrické energie se využívá proud střídavý, bývá usměrňovač součástí většiny elektrických přístrojů, napájených z elektrické sítě.Výstupní napětí má obvykle zvlněný průběh, proto je nutné jej ještě filtrovat, obvykle pomocí kondenzátoru.V současnosti se používají téměř výhradně polovodičové usměrňovače na bázi křemíku kterými byla ostatní zařízení prakticky vytlačena, i když není vyloučeno že vzniknou nová zařízení založená na silikon-karbidu jehož předpokládanou výhodou je možnost provozu při vyšší teplotě.

Zapojení usměrňovačeJednocestný usměrňovač (jednopuzní) propouští pouze jednu půlvlnu vstupního napětí. Má tudíž pouze poloviční účinost a používá se především u zařízeních s velmi nízkým odběrem

proudu. Jde o nejjednodušší zapojení usměrňovače, které vyžaduje pouze jednu diodu. Dvoucestný usměrňovač (dvoupulzní)propouští obě půlvlnu vstupního napětí. Pokud je usměrňovač připojen na transformátor s dvojitým sekundárním vinutím, je možné jej realizovat

pomocí dvou diod. V současné době se používají téměř výhradně usměrňovače křemíkové.Pro průmyslové účely se na přeměnu střídavého na stejnosměrný proud používalo dříve také spojení elektromotoru a dynama - motorgenerátor (neboli Ward-Leonardovo soustrojí).Z hlediska principu činnosti rozlišujeme tři typy usměrňovačů:

neřízený usměrňovač (diodový) řízený usměrňovač (tyristorový, polořízený nebo plně řízený) aktivní usměrňovač (na bázi IGBT tranzistorů)

Z hlediska připojení na napájecí síť lze rozlišit usměrňovače jednofázové (jednocestný/jednopulsní, dvoucestný/dvoupulsní) třífázové (šestipulsní nebo dvanáctipulsní) vícefázové (v podstatě pouze teoretická možnost)

Nevýhodou klasických diodových nebo tyristorových usměrňovačů je, že odebírají ze sítě zkreslený nesinusový průběh proudu. Tuto nevýhodu řeší aktivní usměrňovače. Aktivní usměrňovače jsou sofistikovaná elektronická zařízení využívající pulsně šířkovou modulaci, mají ve srovnání s klasickými usměrňovači vyšší ztráty a vyšší hodnotu usměrněného napětí, ale umožňují rekuperaci.

Nejpoužívanějším typem dvoucestného usměrňovače je Grätzův můstek (můstkové zapojení). Jde o zapojení využívající čtyři diody v můstkovém zapojení.

Násobič napětí je měnič napětí sestavený z diod a kondenzátorů, který mění střídavé napětí na stejnosměrné napětí o několikanásobně vyšší hodnotě.Obvod je zapojen tak, aby jedna půlperioda střídavého proudu nabíjela kondenzátory paralelně, a druhá (opačná) perioda je v sériovém zapojení vybila. Pro jednu dvojici diody s kondenzátorem vznikne na výstupu dvojnásobek vstupního napětí. Tento základní obvod je možno kaskádovitě opakovat a vytvořit tak výstup s mnohonásobně vyšším napětím.Násobič napětí se využíval jako levná a malá náhražka za transformátor tam, kde byl třeba jen malý odběr proudu o vysokém napětí. Příkladem můžou být starší elektronické lapače hmyzu, v nichž se ze síťového napětí (220 V) vyrobilo napětí až několik tisíc voltů, sloužící ke spalování hmyzu. Také některé televizory používají násobič napětí jako zdroj předpětí pro obrazovku.Toto zapojení se využívá rovněž ve fyzice a všude tam kde je třeba jednoduše vyrobit stejnosměrné vysoké napětí, protože zajišťuje výhodné prostorové rozložení napětí. Na jednom stupni je v ideálním případě napětí odpovídající dvojnásobku amplitudy napětí zdroje ze kterého je napájen.Obecně se zapojení na podobném principu nazývají nábojová pumpa,nábojové pumpy, používají se v elektronice tam kde je potřeba levný zdroj napětí s nízkým výkonem. Např. může jít o konvertory úrovní pro sériovou linku standardu RS232 jako je obvod MAX232.S ohledem na bezpečnost práce není při domácích experimentech vhodné toto zapojení připojovat přímo na síťové napětí.Zdvojovač napětíZdvojovače napětí se používají k získání přibližně dvojnásobně velkého napětí, než které přichází na vstup. Na obr. 12.16 je ukázáno, že jde vlastně o dva jednocestné jednofázové usměrňovače s kapacitní zátěží zapojené svými vstupy paralelně a výstupy sériově. Činnost obvodu by měla být zřejmá z obrázku. Během kladné půlvlny vstupního harmonického napětí se nabíjí horní kapacitor, během záporné druhý. Na výstupu se napětí obou nabitých kapacitorů sčítají. Časové průběhy jsou odpovídající výše probraným typům usměrňovačů. Výstupní napětí a proud jsou zvlněné s dvojnásobně velkým zvlněním (sčítají se nejen napětí, ale i zvlnění). Návrh je analogický jednotlivým usměrňovačům, diody se dimenzují stejným způsobem.

V závěrném směru pak platí AVR UU 2 (opět raději s rezervou), kde AVU2 je opět střední hodnota výstupního napětí. Oba kapacitory mají stejné hodnoty kapacit a pro jejich návrh

platí výše uvedené. Na obr. 12.16 je také vidět přechodný děj při zapnutí. Tečkovaně vyznačené proudy 1Di a 2Di ukazují cestu proudu v průběhu kladné a záporné půlvlny vstupního harmonického napětí.

D 1

u 1 u C1C 1R Z

D 2

u C 2

u 2

+

+C 2

iD 1

iD 2

8. FCE TRANZISTORU; ČINNOST BIPOLÁRNÍHO TRANZISTORU (SCHÉMA); ZAPOJENÍ TRANZISTORU (SB, SC,SE), VYUŽITÍ A VLASTNOSTItranzistory – název ze dvou slov TRANsfer reZISTOR. Třívrstvá polovodičová součástka se třemi vývody, má zesilovací schopnost. Je z křemíku a gemania. Podle technologie výroby dva druhy unipolární (na vedení proudu se podílí pouze jeden typ nosičů) a bipolární (na vedení proudu oba typy nosičů)bipolární tranzistor – je založen na principu injekce (vstřikování) a extrakce (odsávání) nosičů náboje, přičemž vedení proudu je uskutečňováno oběma typy nosičů, jak elektrony, tak děrami. Jde o třívrstvou polovodičovou součástku. Přechod PN, který je blíže k emitoru se nazývá emitorový a značí se JE. Blíže ke kolektoru se nazývá kolektorový a značí JC.Činnost je možné rozdělit do čtyř (pěti) prac. režimů, které jsou určeny stavem obou přechodů. Pro tranzistor NPN.

I. rozpojený tranzistor. tranzistor jako spínačII. jako zesilovač, buď od emitoru ke kolektoru II a nebo naopak II bIII. sepnutý tranzistor se otevře, nadbytek volných nosičů náboje. Spínač

IV. průraz – nežádoucí – zničení součástky. Dva druhy průrazů: První je zatížení vysokým napětím (nedestruktivní), druhý - prudký pokles napětí zničení součástky

10. UNIPOLÁRNÍ TRANZISTOR (ČINNOST); ROZDÍL MEZI BIPOLÁRNÍM A UNIPOLÁRNÍM TRANZISTOREM, CHARAKTERISTIKYjsou založeny na principu řízení pohybu nosičů náboje elektrickým polem, přičemž vedení proudu se uskutečňuje v tzv. kanále jedním typem nosičů – většinovými elektrony nebo děrami. Užíváme pro ně zkratku FET. Vodivost tohoto tranzistoru je řízena dvojím způsobem:

změnou průřezu vodivého kanálu rozšiřováním přechodu PN nebo MS změnou koncentrace většinových nosičů v kanále

V současné době se unipolární tranzistory rozdělují do tří základních typů tranzistory s přechodným hradlem označované zkratkou JFET, použití – zesilovače, číslicové obvody tranzistory s izolovaným hradlem (IGFET) tenkovrstvé tranzistory s izolovaným hradlem (TFT), které v poslední době nacházejí uplatnění v plochých tv obrazovkách.

Protože proud v unipolárních tranzistorech je přenášen majoritními nosiči, jsou tyto prvky odolnější vůči změnám teploty i dopadajícímu ionizujícímu záření než bipolární tranzistory. Pro nepřítomnost menšinových nosičů jsou zapínací a vypínací doby un. struktur dány především parazitními kapacitami, které musí být nabity a vybity při každém sepnutí a vypnutí. Tyto kapacity jsou teplotně nezávislé – výhoda oproti bipolárním součástkám. Nesetkáváme se tedy u nich s jevy akumulace menšinových nosičů a jejich postupnou rekombinací.Unipolární tranzistor nemá dva polovodičové přechody a při řízení činnosti vyžívá pouze nosiče náboje jednoho druhu. Proud nosičů náboje se neovládá proudem, nýbrž elektrickým polem (napětím) na vstupní elektrodě. Tzn. zcela odlišnou činnost uvnitř tranzistoru. S tím dále souvisí vstupní odpor, který u tranzistoru FET je nesrovnatelně vyšší v porovnání s bipolárními tranzistory. Tranzistor FET si můžeme představit jako polovodičový rezistor, třeba nelineární, na rozdíl od obyčejného rezistoru. Stejně jako rezistor i FET je-li zařazen do obvodu, ovlivňuje průchod proudu. Jeho vodivost řídíme změnou el. pole. Struktura FET je v porovnání s bipolárním tranzistorem značně složitější. Navíc je třeba vzít v úvahu, že unipolárních tranzistorů je více druhů, které se vzájemně liší. Běžnější jsou tranzistory bipolární, které mají dva polovodičové přechody a tři elektrody zvané báze, kolektor, emitor. Při činnosti se pohybují proti sobe nositelé záporného náboje – elektrony a nositele kladného náboje- díry. Na vstupní elektrodu musíme přivést napětí a vyvolat vstupní proud. Na vstup tedy musíme dodat určitý výkon, i když malý.Unipolární tranzistory pracují s nosiči pouze jednoho druhu, buď ze zápornými nebo kladnými. Vstupní proud se ovládá pouhým napětím na vstupní elektrodě. Proud jím prochází vždy, i když na vstupní elektrodě není žádné napětí. Proti bipolárním tranzistorům mají tranzistory FET nesrovnatelně větší vstupní odpor. Elektrody se značí G – vstup, D – kolektor, S – emitor.

11. NASTAVENÍ A STABILIZACE PRACOVNÍHO BODU TRANZISTORUMá-li tranzistor bezchybně, tj. bez zkreslení zesilovat a správně spínat, musí mít správně nastaven pracovní bod. Tento bod je určen velikostí proudu IC a napětí UCE. Závažným problémem tranzistorových stupňů je vliv teploty, která má za následek pohyb původně nastaveného klidového pracovního bodu. Nejprve se budeme zabývat klidovým stavem zesilovače kdy na vstupní svorky není připojen budící zdroj.Připojením napájecího zdroje UCC začne v obvodu zesilovače procházet stálý stejnosměrný proud a v obvodu naměříme stejnosměrná stálá napětí. Kondenzátory, které mají pro stejnosměrný proud nekonečný odpor, znamenají tedy přerušení obvodu. Budící zdroj a vnější zátěž jsou od zesilovače stejnosměrně odděleny kondenzátory CV1 a CV2 a klidové poměry v obvodu určují výhradně rezistory v kolektoru, editoru, bázi a napájecí zdroj. Obvod určující nastavení klidového pracovního bodu má tedy tvar

Pro kolektorový obvod můžeme podle druhého Kirhochova

zákona napsat rovnici RCIC + UCE + REIE – UCC = 0Protože proud báze je velmi malý, můžeme ho zanedbat a proto IC = IE. Obvodová rovnice se zjednoduší do tvaru (RC + RE) x IC+ UCE = UCC Grafickým znázorněním této rovnice v soustavě výstupních charakteristik tranzistoru v zapojení SE je zatěžovací přímka. K její konstrukci potřebujeme znát dva body. Nejvhodnější jsou průsečíky s osami napětí UCE a proudu IC. Spojnici těchto dvou bodů nazýváme statickou zatěžovací přímkou zesilovače. Tato přímka je geometrickým místem možných klidových pracovních bodů zesilovače s danými hodnotami RE, RC a UCC. Pro správnou činnost se vyžaduje aby klidový prac. bod byl umístěn ve středu charakteristik. Pustíme-li na vstup zesilovače signál z budícího zdroje ve tvaru sinusovky, začne se nám poloho tohoto bodu měnit kolem jeho klidové polohy P. Geometrickým místem jeho okamžitých poloh je opět přímka. Směrnice je však určena účinným zatěžovacím rezistorem Rz. Tuto směrnici dyn. zatěžovací přímky můžeme sestrojit obdobně jako statickou zatěžovací přímku. Dynamická zatěžovací přímka musí procházet klidovým pracovním bodem P a je rovnoběžná s posledně sestrojenou přímkou. Uděláme tedy rovnoběžku procházející klidovým prac. bodem a dostaneme dynamickou zatěžovací přímku. Podmínkou je aby vstupní budící signál nebyl příliš velký, aby neposouval pracovní bod do zakřivených okrajových částí charakteristiky, neboť by se zde signál zkresloval.Stabilizace prac. bodu – Kolísání polohy klidového pracovního bodu způsobuje nežádoucí změny pracovního režimu obvodu, které v krajním případě mohou vést až ke ztrátě zesilovacích vlastností, nebo na druhé straně k překročení přípustné kolektorové ztráty a ke zničení tranzistoru. Změnou teploty se posouvá klidový pracovní bod po zatěžovací přímce a tím se mění

kolektorový proud. Proto se pro zajištění stálé polohy pracovního bodu používají tzv. stabilizační obvody. V nich jsou zapojeny odpory, aby na nich vzniklé úbytky napětí působily proti změnám proudu a napětí, které jsou způsobeny jednak změnami teploty a jednak stárnutím součástky či kolísáním napájecího napětí.

1. stabilizace pracovního bodu můstkovým zapojením2. stabilizace pracovního bodu se zpětnovazebním odporem3. stabilizace pracovního bodu termistorem

ad 1 ad 2 ad 3

12.

TRANZISTOR VE FUNKCI SPÍNAČE A ZESILOVAČEObě fce tranzistor splní, avšak jeho zapojení se bude značně lišit. Má-li pracovat jako zesilovač napětí, což je častý případ, pak se rozumí zpravidla zesilovač střídavého napětí. Zesiluje slabý signál z mikrofonu, gramofonu, magnetofonové hlavy či jiného zdroje. V takovém případě se snažíme, abychom malou změnou proudu báze vyvolali velkou změnu kolektorového proudu. Protože v kolektorovém obvodu je velký odpor pracovního rezistoru RC, vznikne na něm průchodem proudu značné napětí. Je mnohonásobně větší než to, které jsme přivedli na bázi. Tranzistorem bez budícího signálu trvale prochází kolektorový, tzv. klidový proud. Tím se zásadně liší zapojení tranzistoru – zesilovače od zapojení tranzistoru – spínače. Má-li tranzistor pracovat jako spínač, pak využíváme výlučně jeho krajní stavy: tranzistor je naplno otevřen, sepnut anebo zavřen, rozepnut. Musíme mít na vědomí, že při rozepnutém tranzistoru určitý malý kolektorový proud přece jen prochází. Tím se liší rozepnutý tranzistor od rozepnutého mechanického spínače. U spínače proud v rozepnutém stavu vůbec neprochází. Tranzistor jako zesilovač : V klidové poloze, tj. bez buzení vstupním signálem, nastavujeme trvalý klidový proud. Ten vytváří na pracovním rezistoru v kolektoru trvalý úbytek napětí, rovnající se

polovičnímu napětí zdroje. S budícím signálem, tzn. přivedením malého střídavého napětí na bázi se kolektorový proud střídavě zvětšuje a zmenšuje. Přitom zachovává stejný průběh jako budící proud v bázi.

Na kolektoru je k dispozici střídavé napětí, mnohem větší než přivedené napětí na báziTranzistor jako spínač:1. V klidové poloze, bez buzení, neprochází tranzistorem proud, kromě nepatrného zbytkového proudu. Tranzistor je uzavřen, rozepnut.2. S připojeným stejnosměrným napětím na bázi prochází tranzistorem velký kolektorový proud. Tranzistor je sepnut, třebaže malý odpor v obvodu C-E zůstává. Vytvoří se na něm

tzv. malé saturační napětí (jistý úbytek napětí). To zhoršuje vlastnosti spínače – tranzistoru.

Zesilovač je aktivní nelineární čtyřpól, tvořený zesilovacím prvkem (tranzistorem) a pomocnými obvody (složenými s obvodových součástek), které souží k nastavení a stabilizaci pracovního bodu. Na vstupu zesilovače je připojen zdroj zesilovaného signálu a na jeho výstupu zátěž. Při zesilování malých signálů můžeme pohyb pracovního bodu po nelineární charakteristice tranzistoru považovat za pohyb po přímkách (linearizace) a zesilovač řešíme jako lineární čtyřpól pomocí linearizovaných rovnic. Zesilovače můžeme dělit:a) podle frekvence zesilovaných signálů na

nízkofrekvenční – od 20 Hz do 20 000 Hz (slyšitelný lidskému sluchu) vysokofrekvenční – úzká frekvenční pásma okolo nosné frekvence, modulované signály

b) podle velikosti vstupního signálu: předzesilovače (anténní zesilovače) výkonové zesilovače (vyžadujeme velké výkonové zesílení)

c) podle šířky přenášeného pásma: úzkopásmové (šířka malá vzhledem ke střední frekvenci) širokopásmové (ke střední frekvenci zesilují velmi široké pásmo – videorekordéry)

d) podle pracovních tříd třída A - mají malé zkreslení a jsou určeny pro všeobecné použití třída B – dvojčinné zapojení, každý prvek zesiluje jednu polovinu periody signálu třída C – vysokofrekvenční technika

e) podle vazby stejnoměrná vazba s RC členy s transformátorovou vazbou

f) podle zesilovacího prvku elektronkové tranzistorové integrované

13. ZÁKLADY VÝKONOVÉ (MĚNIČOVÉ) ELEKTRONIKY (TYRISTOR, TRIAK, VÝKONOVÁ DIODA, VÝKONOVÝ TRANZISTOR)Výkonová elektronika je narozdíl od klasické elektroniky silnoproudým oborem. Pokrok ve výrobě polovodičových součástek umožnil výrobu součástek dovolujících velmi rychle spínat vysoká napětí v řádu až tisíců voltů a vysoké proudy v řádu stovek až tisíců ampér. Díky tomu mohlo dojít ke vzniku nového silnoproudého oboru - výkonové elektroniky. Výkonová elektronika se zabývá především řešením různých měničů parametrů elektrické energie.Jde o polovodičové součástky, označován jako spínací prvky tyristorového typu. Nejčastěji se používají při regulaci střídavého výkonu. Rozdíl od spínacích tranzistorů je ve způsobu sepnutí prvku. U tranzistorů musíme k udržení sepnutého stavu nepřetržitě dodávat řídící proud I, kdežto u tyristorových součástek po sepnutí řídícím proudovým impulsem nemá řídící elektroda na tyto součástky další vliv.Tyristor - jedná se o základní součástku řízených usměrňovačů. Jeho funkce je založena na tzv. tyristorovém jevu, tj. lavinovém přechodu z blokovacího do propustného stavu. Tyristor je vlastně spojení dvou bipolárních tranzistorů ve čtyřvrstvé struktuře s třemi přechody PN. Tyto přechody ovlivňují činnost součástky ve třech základních stavech, které jsou:

závěrný stav blokovací (vypnutý) stav propustný (sepnutý) stav

V praxi je možné konstruovat tyristory typu PNPN a NPNP. Oby typy se rozlišují podle toho, ke které vrstvě je připojena řídící elektroda – buď k vnitřní vrstvě P nebo N.

V praxi se používá pouze struktura PNPN, poněvadž u struktury NPNP se z fyzikálně technologických důvodů nedaří dosahovat potřebných parametrů (tj. při odpovídající struktuře jsou vždy horší, jiná situace je u nevýkonných tyristorů).Jak už bylo řečeno – tyristor má tři přechody PN, které se značí J1, J2 a J3, jejichž funkce jsou odlišné.Nyní si popíšeme základní stavy tyristoru

1. závěrný stav – INa anodu tyristoru je připojen záporný pól a na katodu kladný pól vnějšího zdroje. Na řídíc elektrodě nesmí být kladný potenciál. Přechody J1 a J3 jsou proto polarizovány závěrném směru, zatímco přechod J2 je v propustném stavu. Tyristorem neprochází žádný proud.

2. blokovací stav – IINejvětší rozdíl mezi závěrným a blokovacím stavem je v polaritě připojení vnějšího zdroje. Nyní je kladný pól vnějšího zdroje připojen na anodu A a

záporný pól vnějšího zdroje na katodu K. Přechody J1 a J2 jsou polarizovány v propustném směru a přechod J2 je polarizován v závěrném směru. Opět na řídící elektrodě není žádný kladný potenciál. Vzhledem k tomu, že vrstva N1 je

Zapojení tranzistorů ve fci spínače. Přeruší-li se drátek, otevře se T1. Na rezistoru RE vzroste napětí, které otevře tranzistor T2.

dostatečně široká, nedochází ve většině případů k injekci menšinových nosičů náboje z oblasti přechodu J1 do oblasti přechodu J2. Současně nemůže docházet ani k injekci nosičů náboje z oblasti přechodu J3 do oblasti přechodu J2, takže téměř celé napětí vnějšího zdroje bude na přechodu J2. Při dostatečně velké velikosti napětí vnějšího zdroje může dojít k tomu, že menšinové nosiče se mohou dostat z oblasti přechodu J3, projít vrstvou P2 do oblasti přechodu J2 a tím dojde k sepnutí tyristoru.

3. propustný stav – III (přechod tyristoru z blokovacího do propustného stavu)Důležitou podmínkou je to, že se vychází z blokovacího stavu, který musí nutně tomuto druhu sepnutí předcházet. Na rozdíl od dvou předešlých případů nyní připojíme na řídící elektrodu G napětí proti katodě tak, aby jím byl přechod J3 mezi řídící elektrodou a katodou polarizován v propustném směru. Řídící elektrodou začne procházet proud IG. Přechodem J3 nyní začne procházet podstatně vyšší koncentrace nosičů než při blokovacím stavu, tzn., že přechodem J3 prochází nyní větší počet elektronů z vrstvy N2 do vrstvy P2. Z nich se velká část dostane do blízkosti přechodu J2, který je pro tyto menšinové nosiče propustný. Přechodem přes přechod J2 se tyto nosiče dostávají do vrstvy N1 kde zvýší koncentraci většinových nosičů, a tato vyšší koncentrace má za následek i vyšší počet nosičů procházejících přes přechod J1.

Triak – jednoslovný název pro obousměrný triodový tyristor neboli pětivrstvý triodový tyristor. Jedná se tedy o pětivrstvou součástku NPNPN. Jde o snahu nahradit antiparalelní zapojení dvou tyristorů jedním prvkem. U triaku se uplatňují nové jevy, jako např. že se tato součástka může spínat i záporným řídícím signálem, takže se může použít pro spínání střídavého napětí.

Výkonové diody

je dvouvrstvá nelineární polovodičová součástka obsahuje jeden PN přechod

o případě, že má polovodič typu P (anoda) k polovodiči typu N (katoda): kladné napětí - je dioda v propustném stavu záporné napětí - je dioda v závěrném stavu

o v propustném stavu je na diodě propustné napětí uF a prochází jí propustný proud iF o v závěrném stavu je na diodě závěrné napětí napětí uR a prochází jí závěrný proud iR

Z hlediska použití v aplikacích jsou na diody kladeny požadavky vysokého závěrného napětí, nízkého propustného napětí, rychlého přechodu z propustného do závěrného proudu a naopak.Typické parametry výkonových diod:uF ~ cca 1V iF ~ až několik kA uR ~ až několik kV iR ~ až desítky mA Výkonové polovodičové diody se používají k zabezpečení průchodu proudu jedním směrem, nejčastěji k usměrňování střídavého proudu, přičemž se jedná obvykle o hodnoty středního proudu IFAV v oblasti od několika ampér do několika tisíc ampér a závěrného napětí URRM od několika desítek do několika tisíc voltů.

14. MAXIMÁLNÍ PŘENOS VÝKONU ZDROJE DO SPOTŘEBIČEElektrický přenos výkonu je přenos výkonu z hnacího agregátu (většinou vznětového nebo zážehového motoru) na kola dopravního prostředku prostřednictvím elektrické energie. Používá se v případech, kdy je přenášen velký výkon a realizace mechanického nebo hydrodynamického přenosu výkonu by byla obtížná, tj. zejména u dieselových lokmotiv s velkým výkonem.Jeho základní součástí bývá soustrojí, složené z hnacího agregátu a elektrického generátoru, které jsou umístěny na společné hřídeli (viz motorgenerátor se spalovacím motorem). Agregát pohání generátor, který vyrábí elektrický proud. Ten je využit k napájení trakčních elektrických motorů, umístěných obvykle přímo v podvozku u příslušné náravy. Přenos mechanické energie je zajišťován buď jednoduchou převodovkou, nebo je rotor motoru umístěn přímo na ose nápravy (tj. hřídel motoru tvoří osu nápravy).Výhodou tohoto uspořádání je možnost přenosu velkých výkonů a snadná regulace i reverzace pohonu (tj. zejména otáček trakčních elektromotorů). Hnací agregáty mají obvykle omezený rozsah provozních otáček a jejich výkon a točivý moment je maximální pouze při určitých otáčkách. Při mechanickém přenosu výkonu je nutné z tohoto důvodu používat převodovku a spojku, což zvyšuje mechanickou složitost hnacího vozu a snižuje jeho spolehlivost. Při vysokých výkonech je nutné navíc počítat s jejich velkým a rychlým opotřebením, Ani použití spojky a převodovky neeliminuje nutnost provozu motoru v širším rozsahu otáček, než je z provozního hlediska optimální (zejména při rozjezdu). U elektrického přenosu výkonu může hnací agregát pracovat s téměř konstantními (a tudíž optimálními) otáčkami, neboť změna otáček trakčních motorů je prováděna elektrickou regulací (tj. stejným způsobem, jako u elektrických lokomotiv).Elektromechanický přenos výkonu navíc přináší možnost elektrodynamického brzdění.Některé lokomotivy mohou mít na společné hřídeli generátory dva, přičemž jeden z nich slouží jako zdroj trakční energie a druhý např. pro elektrické vytápění vlaku