+ All Categories
Home > Documents > PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se...

PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se...

Date post: 11-Feb-2020
Category:
Upload: others
View: 5 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
126
PN přechod - dioda Jak vyrobit ze střídavého proudu stejnosměrný? Co je základem rádiového přijímače? Jak ochránit přístroje proti špatnému zapojení (prohození svorek + a -)? Jak chránit obvody s cívkami před indukovaným napětím? Jak využít elektrickou energii co nejlépe? Princip: Polovodičová dioda je součástka s jedním PN přechodem, tedy s částí typu P a s částí typu N. V okamžiku vytvoření diody (PN přechodu) vypadá situace takto: obr. 1: Situace na PN přechodu v okamžiku jeho vytvoření Protože v blízkosti přechodu je velký gradient (spád, změna) koncentrace děr i elektronů, pronikají elektrony do části P a díry do části N a vzájemně rekombinují. Tímto způsobem volné částice s nábojem mizí z oblasti přechodu a začíná se projevovat difuzní elektrické pole E d vytvářené ionty příměsí. Další elektrony a díry se nemohou dostávat k přechodu, neboť jim v tom brání vytvořené elektrické pole. Oblast u přechodu, která neobsahuje volné částice s nábojem, se nazývá hradlová vrstva (viz obr. 2).
Transcript
Page 1: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

PN přechod - dioda Jak vyrobit ze střídavého proudu stejnosměrný? Co je základem rádiového přijímače? Jak ochránit přístroje proti špatnému zapojení (prohození svorek + a -)? Jak chránit obvody s cívkami před indukovaným napětím?

Jak využít elektrickou energii co nejlépe?

Princip:

Polovodičová dioda je součástka s jedním PN přechodem, tedy s částí typu P a s částí typu N.V okamžiku vytvoření diody (PN přechodu) vypadá situace takto:

obr. 1: Situace na PN přechodu v okamžiku jeho vytvoření Protože v blízkosti přechodu je velký gradient (spád, změna) koncentrace děr i elektronů, pronikají elektrony do části P a díry do části N a vzájemně rekombinují. Tímto způsobem volné částice s nábojem mizí z oblasti přechodu a začíná se projevovat difuzní elektrické pole Ed

vytvářené ionty příměsí. Další elektrony a díry se nemohou dostávat k přechodu, neboť jim v tom brání vytvořené elektrické pole. Oblast u přechodu, která neobsahuje volné částice s nábojem, se nazývá hradlová vrstva (viz obr. 2).

Page 2: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 2: PN přechod v rovnovážném stavu I v tomto stavu však přes přechod prochází neustále malé množství náboje. Některé elektrony z oblasti typu N a díry z oblasti typu P se přece jen přes přechod dostanou a tvoří malý elektrický proud (difuzní proud) Id proti směru elektrického pole. Naopak ve směru elektrického pole teče malý proud (polní proud)  Ip tvořený minoritními (menšinovými) částicemi (na obr. 2 nejsou zakresleny). Díry, které jsou minoritní v polovodiči typu N, se pohybují ve směru elektrického pole Ed nalevo a elektrony, které jsou minoritní v části typu P, se pohybují proti směru Ed napravo.Rovnovážný stav na PN přechodu nastává, když je Id=Ip. Nyní připojme na PN přechod vnější napětí s kladným pólem na P a záporným na N. Toto vnější napětí vytváří vnější intenzitu elektrického pole E, která má směr proti intenzitě Ed. Celková intenzita elektrického pole na přechodu je dána vektorovým součtem intenzit E a Ed. Bude-li tedy E větší než Ed (přiložené napětí bude dostatečně velké), bude mít celková intenzita směr od P k N, kladně nabité díry a záporně nabité elektrony se budou pohybovat směrem k přechodu a přes přechod bude procházet elektrický proud. PN přechod je zapojen v propustném směru (viz obr. 3).

Page 3: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 3: PN přechod zapojený v propustném směru Nyní naopak přiložme napětí na přechod s opačnou polaritou, tj. kladným pólem na N. Intenzita vnějšího pole E  a intenzita Ed mají stejný směr a "odtlačují" volné elektrony a díry ještě dále od přechodu. Přes přechod může téci jen proud způsobený minoritními nosiči, který je malý. Přechod je zapojen v závěrném směru (viz obr. 4).

obr. 4: PN přechod zapojený v závěrném směru Dioda je tedy součástka, kterou může procházet elektrický proud jen jedním směrem (propustným). O vlastnostech a použití diody bude řeč v další kapitole ¤.

Page 4: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Usměrňovací diodaDioda je jednou ze základních elektronických součástek. Jak plyne z jejího fyzikálního principu ¤ , jde o součástku, která "propouští elektrický proud jen jedním směrem". Při zachování jistých podmínek tomu tak skutečně je.

obr. 1: Schematická značka diodyBereme-li ideální diodu, dá se pro závislost proudu I procházejícího diodou na napětí U na diodě odvodit tzv. diodová rovnice, která má tvar

I=Io(exp(eU/kT)-1),kde T je teplota PN přechodu, k je Boltzmannova konstanta ¤ a e je náboj elektronu ¤ .Reálná dioda se od ideální poněkud liší. Její VA charakteristika je na obr. 2.

obr. 2: VA charakteristika reálné diody(Jak tuto VA charakteristiku změřit? Podívejte se zde ¤.)Jsou vidět dva rozdíly proti diodové rovnici. Předně i při nenulovém napětí na diodě menším než cca. 0,6 V je proud diodou stále nulový a navíc charakteristika není exponenciální. Čím je to způsobeno?1. I při nenulovém napětí na diodě menším než cca. 0,6 V je proud diodou stále nulový. Proud diodou začne procházet teprve tehdy, když intenzita vnějšího elektrického pole E převýší intenzitu difuzního elektrického pole Ed (viz. předchozí kapitolu ¤ ). Difuzní napětí vytvářené difuzním elektrickým polem na přechodu má typicky hodnotu právě kolem 0,6 V. Aby diodou začal procházet proud, musí být vnější napětí větší než difuzní napětí.2. Charakteristika diody není exponenciální. Materiál, ze kterého je dioda vyrobena, má nenulový elektrický odpor a tudíž se chová částečně jako rezistor. Reálnou diodu můžeme zobrazit v jejím náhradním schématu jako sériovou kombinaci ideální diody a rezistoru, který představuje odpor diody (viz obr. 3).

obr. 3: Náhradní schéma diodyPři malém proudu (do asi 1 mA) se ještě neprojevuje ohmický úbytek napětí na diodě a její charakteristika je exponenciální. Při vyšších proudech

Page 5: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

již ohmický úbytek (úbytek na "rezistoru") převáží a charakteristika se stává lineární jako u běžného rezistoru. Usměrňovací diody různého typu jsou na obr. 4.

obr. 4: Usměrňovací diody. Zleva dioda PX 15 408 (max. povolený proud 3 A/max. povolené napětí 1000 V), TN 4002 (1 A/1500 V) a hrotová dioda.

Použití diody:

Vzhledem ke svým vlastnostem se dioda používá jako prvek, který usměrňuje střídavý proud ¤ . Nejjednodušší zapojení je na obr. 5. Jedná se o jednocestné usměrnění.

obr. 5: Usměrňování střídavého prouduPřipojíme-li k rezistoru osciloskop, můžeme sledovat časový průběh napětí na rezistoru (který je úměrný průběhu proudu dle Ohmova zákona U=RI) - viz obr. 6. Konkrétní schéma pokusu je na obr. 7.

Page 6: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 6: Střídavý proud harmonického průběhu s frekvencí 50 Hz usměrněný diodou PX 15 408 (na obr. 4 první zleva)

obr. 7: Uspořádání pokusuZáleží při usměrňování střídavého proudu na jeho frekvenci? Odpověď dá provedený pokus. Měňme v pokusu podle obr. 7 frekvenci generátor napětí. Výsledky jsou na obrázcích 8 až 11.

Page 7: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 8: Usměrněný proud o frekvenci 500 Hz.

obr. 9: Usměrněný proud o frekvenci 5000 Hz (5 kHz)

Page 8: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 10: Usměrněný proud o frekvenci 10000 Hz (10 kHz).

obr. 11: Usměrněný proud o frekvenci 22000 Hz (22 kHz).Je vidět, že při frekvenci napětí 22 kHz je amplituda napětí v kladném směru stejná jako amplituda v záporném směru, i když tvar křivky je jiný. Jak je možné, že dioda neusměrňuje? Prosím, zkuste se nad tím pečlivě zamyslet, pak se můžete podívat na komentář ¤.

Jak usměrňovat střídavý proud lépe?

I když vyřešíme problém průchodu proudu diodou v závěrném směru, stejně není usměrňování jednou diodou příliš efektivní. Ze střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤

Page 9: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

 se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz obr. 6 ¤ ). První možností je použít diody tak, aby i ze záporné půlvlny proudu "vyrobily" půlvlnu kladnou (v podstatě to znamená udělat ze střídavého proudu jeho absolutní hodnotu). Tento způsob se nazývá dvoucestné usměrnění. Jedno ze zapojení, které toto dokáže, dostalo název Graetzovo zapojení a je na obr. 12.

obr. 12: Graetzovo zapojeníPři obou polaritách zdroje protéká spotřebičem (rezistor R) proud stále jedním směrem (viz obr. 13).

Page 10: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 13: Průchod proudu Graetzovým zapojenímPrůběh proudu po usměrnění Graetzovým zapojením vypadá takto:

Page 11: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 14: Proud usměrněný Graetzovým zapojenímOtázka: Proč i v tomto zapojení stále existují časové intervaly, kdy proud spotřebičem neprotéká?Odpověď...Jak dosáhnout toho, aby proud byl konstantní a ne tepavý? Dobře si to rozmyslete, odpověď najdete zde ¤.Diody se používají nejen k usměrňování střídavého proudu, ale i k jiným účelům - viz aplikace ¤ .

Kapacitní dioda (varicap)

Jak funguje přelaďování stanic na rádiovém přijímači.?

Princip:

Kapacitní dioda je jedním ze speciálních druhů diod. Využívá faktu, že PN přechod v závěrném směru má jistou kapacitu. Šířka PN přechodu x (tj. velikost oblasti bez volných nábojů) je přímo úměrná odmocnině z napětí U přiloženého na PN přechod v závěrném směru, x2~U. Jelikož se dioda chová jako plošný kondenzátor, je její kapacita rovna C=S/x, kde je permitivita prostředí a S je plocha přechodu.. Změnou napětí v závěrném směru měníme šířku přechodu a tedy i kapacitu diody.

obr. 1: Schematická značka kapacitní diody

Použití:

Page 12: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Nahrazuje kondenzátory s proměnnou kapacitou (otočné) v oscilačních obvodech - například v rádiových přijímačích.

Komentář k usměrňovací diodě

Problém usměrňování vyšších frekvencí je v tom, že dioda má nezanedbatelnou plochu PN přechodu. Představíte-li si PN přechod v závěrném směru ¤ , není na něm prakticky žádný volný náboj, zatímco na obou koncích diody volné částice s nábojem jsou. Dioda takto silně připomíná deskový kondenzátor ¤ - konce diody představují desky, hradlová vrstva dielektrikum mezi nimi. Proto se náhradní schéma diody kreslí také dle obr. 1.

obr. 1: Náhradní schéma diodyTeď je na řadě kapitola o chování kondenzátoru ve střídavém obvodu ¤, pak se vrátíme sem.Tzv. kapacitance XC ("odpor") kondenzátoru je dána jako XC=1/C ( = 2 f, kde f je frekvence střídavého proudu). Prochází-li tedy diodou stejnosměrný proud (=0), kapacitance je nekonečně veliká. Prochází-li střídavý proud nízké frekvence, kapacitance je vysoká a v náhradním schématu prochází proud přes diodu. Máme-li ovšem proud vysoké frekvence, kapacitance se výrazně sníží a v náhradním schématu proud prochází přes kondenzátor (jelikož dioda má v závěrném směru velký odpor). Dioda se tedy v závěrném směru chová jako kondenzátor, který se periodicky nabíjí a vybíjí. Jak je vidět na obrázku 2, v závěrném směru se napřed kondenzátor nabije (průběh proudu je sinusový) a pak se vybíjí (průběh proudu je exponenciální).

Page 13: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 2: Průběh proudu diodou v závěrném směruKondenzátorem prochází střídavý proud vysoké frekvence velmi dobře, proto dioda neusměrňuje.

Ale co když potřebujeme usměrňovat vysoké frekvence?

Musíme vzít jinou diodu. Jelikož kapacitance kondenzátoru je dána jako XC=1/C, máme-li vysokou frekvenci a přitom chceme mnít vysoké XC, musíme mít malou kapacitu přechodu. V naší představě je dioda jako deskový kondenzátor. Kapacita deskového kondenzátoru je

C=S/d, kde je permitivita prostředí mezi deskami, S je plocha desek (plocha PN přechodu) a d je jejich vzdálenost (šířka hradlové vrstvy). Permitivitu ani šířku přechodu při daném napětí neovlivníme (šířka přechodu je úměrná odmocnině z napětí), musíme tedy pro zmenšení kapacity zmenšit plochu přechodu. Diody s malou plochou přechodu se nazývají hrotové diody. Konstrukčně jsou řešeny jako kus polovodiče, na který je přitisknutý wolframový drátek. Přechod má tak velmi malou plochu a proto se používá pro usměrňování například vysokých radiových frekvencí. Proud s frekvencí 22 kHz usměrněný hrotovou diodou je na obrázku 3.

Page 14: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 3: Střídavý proud o frekvenci 22 kHz usměrněný hrotovou diodou.Hrotová dioda je na obr. 4 v hlavní kapitole ¤ .

Je tu však ještě jiný problém!

Malá plocha přechodu znamená velký odpor (je přece R= r l/S ¤ ), tedy přechod se průchodem většího proudu dost zahřívá a navíc svou malou plochou špatně odvádí teplo. Hrotovou diodu lze tedy používat pouze na malá napětí a proudy.Plošná dioda ovšem vydrží podstatně víc. Má menší odpor a svou velkou plochou lépe odvádí teplo, takže jí může protékat větší proud. Například "naše" dioda, která tak špatně usměrňuje vysoké frekvence, "vydrží" proud 3 A. Naštěstí se v technice neužívá současně vysokých frekvencí a vysokých proudů. Shrnuto platí:hrotová dioda: použití pro malé proudy a vysoké frekvence (detekce rádiových signálů ¤ )plošná dioda: použití pro velké proudy a nízké frekvence (např. v lokomotivách ¤ ).O náhradních schématech diody si můžete přečíst zde ¤ .

Přechod PN Spojí-li se polovodiče typu P a N, vytvoří se na jejich rozhraní PN přechod.V místě styku obou polovodičů dojde k difúzi děr z polovodiče typu P do N a elektronů z polovodiče typu N do P a následně k rekombinaci. Vytvoří se dynamická rovnováha a na rozhraní obou polovodičů vznikne vnitřní el. pole. V oblasti přechodu nejsou vlivem rekombinace žádné volné elektricky nabité částice. Pokud připojíme polovodič typu P ke kladnému pólu zdroje a polovodič typu N k zápornému, dochází v polovodiči typu P k tvorbě děr a do polovodiče typu N jsou dodávány elektrony.

Page 15: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Vnějším polem (vytvořeno zdrojem) jsou díry z oblasti P a elektrony z oblasti N uvedeny do pohybu směrem k přechodu, což umožňuje pokračování rekombinace a tím průchod proudu. Díry mohou jít k – do N a elektrony k + do P. V tomto případě je PN přechod zapojen v propustném směru.Pokud zapojíme PN přechod obráceně, k vytváření děr, dodávání elektronů a rekombinaci na PN přechodu nedochází, tzn. proud neprochází. Díry jdou k –, proto zůstávají v   P, stejně elektrony jdou k +, proto zůstávají v   N . Říkáme, že PN přechod je zapojen v závěrném směru.

PN přechod má tedy vlastnost propouštět proud pouze jedním směrem (diodový jev).Na základě této vlastnosti je sestrojena nejjednodušší polovodičová součástka – polovodičová dioda, která obsahuje jeden PN přechod. vlastnosti diody:

– propouští proud pouze jedním směrem (působí jako elektrický ventil, využití jako pojistka proti obrácení polarity zdroje – baterií)– slouží k usměrňování střídavého proudu (usměrňovače)

– usměrňování vysokofrekvenčních proudů (demodulátory)

Stavba polovodičové diody

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.

[editovat]

Druhy polovodičových diod

Kromě základního druhu polovodičové diody existují diody se speciálním chováním přechodu P-N:

fotodioda - dopadající světelné nebo jiné záření způsobí v oblasti přechodu P-N vytvoření dvojice elektron - kladná díra, a tím podle způsobu zapojení dojde ke zvýšení vodivosti nebo ke zvýšení napětí na přechodu P-N

LED - rekombinace v oblasti přechodu P-N způsobují vydávání světelného záření Zenerova dioda - je schopna propouštět proud oběma směry

Dále se diody dělí podle schopnosti snést různou zátěž nebo podle frekvence střídavého proudu (vysoko- a nízkofrekvenční diody), pro který se určeny.

[editovat]

Page 16: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Parametry polovodičové diody

Prahové napětí - elektrické napětí, při kterém dojde ke zrušení hradlové vrstvy Průrazné napětí - elektrické napětí, které způsobí při zapojení v závěrném směru

zničení přechodu P-N a průchod proudu diodou VA charakteristika - závislost proudu protékajícího diodou na napětí mezi vývody Maximální zatížení - největší možný výkon elektrického proudu nepoškozující diodu Maximální proud - největší proud, který může procházet diodou Teplotní rozmezí - rozmezí teplot, při kterých může dioda pracovat

[editovat]

Polovodičová dioda v elektrickém obvodu

[editovat]

Elektrotechnická značka

[editovat]

Propustný směr

Při zapojení kladného pólu zdroje k anodě (typ P) a záporného pólu zdroje ke katodě (typ N) se přechod P-N v diodě, bránící průchodu částic, zmenší nebo úplně zruší. Diodou protéká elektrický proud, elektrický odpor diody může být velmi nízký.

[editovat]

Závěrný směr

Při zapojení kladného pólu zdroje ke katodě (typ N) a záporného pólu k anodě(typ P) se přechod P-N v diodě rozšíří, elektrický odpor diody se

Page 17: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

zvětší. Elektrický proud v ideálním případě neprochází. Ve skutečnosti diodou prochází proud způsobený minoritními nosiči nábojů, tento je proud je však velmi malý.

[editovat]

Dioda ve střídavém obvodu

Zapojením diody do obvodu střídavého proudu dojde k jednocestnému usměrnění střídavého proudu. Proud může diodou procházet pouze v jednom směru, tzn. pouze v jedné polovině periody. Takový proud se nazývá tepavý.

[editovat]

Graetzovo zapojení

K dvojcestnému usměrnění střídavého proudu se používají čtyři diody zapojené podle schématu:

Page 18: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Střídavý proud prochází v jedné polovině periody první dvojicí diod (1 a 2), v druhé polovině periody druhou dvojicí diod (3 a 4), přičemž směr proudu vystupujícího z můstku je stále stejný. Velikost proudu se na výstupu mění.

[editovat]

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

Page 19: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Bipolární tranzistor Jak zesílit napětí nebo proud z antény rádiového přijímače? Lze udělat i jiný než mechanický spínač?

Jak elektronicky počítat?

Princip:

Bipolární tranzistor je základní polovodičová součástka, která obsahuje dva PN přechody. Tyto přechody jsou od sebe odděleny tenkou vrstvou polovodiče. Výsledná struktura tranzistoru vypadá takto.

Tranzistor typu PNP Tranzistor typu NPNSchematické značky:

Tranzistor typu NPN:

Tranzistor typu PNP:

Vezmeme tranzistor typu NPN.

Page 20: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 1Základní zapojení bipolárního tranzistoru je na obrázku 1. Levý PN přechod je pólován v propustném směru vůči střední části a pravý vůči téže části v závěrném směru. Vnější elektrodu tranzistoru přiléhající k přechodu pólovanému v propustném směru nazýváme emitorem (v tomto případě je to levá část), střední část bází a zbývající elektrodu kolektorem. Plocha kolektoru bývá podstatně větší než plocha emitoru, v emitoru bývá více příměsí a v kolektoru méně. Jelikož přechod emitor-báze je v propustném směru, majoritní nosiče náboje (zde elektrony) přechází z emitoru do báze. V blízkosti přechodu emitor-báze se v bázi vytváří zvýšená koncentrace elektronů. Největší je těsně u přechodu k emitoru, směrem od přechodu se koncentrace elektronů snižuje. Jelikož je báze velmi tenká, jen malá část elektronů zrekombinuje. Zbývající část se vzhledem k malé tloušťce báze nalézá v blízkosti přechodu do kolektoru. Tento přechod je v závěrném směru, ale pro majoritní nosiče v bázi, tedy díry. Elektrony jsou v bázi minoritními nosiči a proto je pro ně tento přechod propustný, kladný náboj příměsí v kolektoru je přitahuje a tak všechny přechází přes PN přechod do kolektoru. Elektrony, které byly původně v emitoru, se takto dostaly přes dva PN přechody do kolektoru - přes tranzistor protéká proud. Teče-li bází elektronový proud, je nutné do báze dodávat díry na rekombinaci těch elektronů, které v bázi rekombinují; tento děrový proud tedy tvoří proud báze. Vzhledem k tomu, že v bázi zrekombinuje jen malé procento z celkového proudu elektronů, je bázový proud malý ve srovnání s proudem, který teče cestou emitor-báze-kolektor. Kromě složky kolektorového proudu tvořené elektrony, které prošly bází od emitoru, existuje ještě jedna složka a to závěrný proud kolektorové diody (přechod baze - kolektor), tvořený minoritními nosiči v bázi a v kolektoru. Pro kolektorový proud můžeme tedy napsat rovnici - základní rovnici tranzistoru

Ik=Ik0+Ie,kde Ik je celkový proud kolektoru, Ik0 zbytkový proud diody báze-kolektor,  proudové zesílení tranzistoru v zapojení se společnou bází a Ie emitorový proud. Kromě této rovnice musí proudy Ik, Ib a Ie splňovat 1. Kirchhoffův zákon, tedy

Page 21: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Ie=Ib+Ik,kde Ib je proud bází. Zdálo by se, že proud Ik0 bychom mohli zanedbat vzhledem ke složce od emitoru, ale nejde to, neboť jednak Ie může být rovno nule a pak Ik0 tvoří jedinou složku kolektorového proudu, jednak při překročení maximálního závěrného napětí diody kolektor-báze dojde k průrazu kolektorové diody (nemusí být nutně destruktivní) a ”zbytkový” proud Ik0 pak bude tvořit převažující složku kolektorového proudu.  Koeficient proudového zesílení tranzistoru v zapojení se společnou bází je paradoxně menší než jedna. Má standardně hodnoty okolo 0.99 u běžných ”dobrých” křemíkových tranzistorů, ale může dosáhnout i hodnoty okolo 0.999. Podle čeho rozeznáváme zapojení se společným emitorem, kolektorem a bází? Podle toho, která elektroda je společná ”budicímu” a výstupnímu obvodu; na obrázku 1 je to báze. Rozeberme si toto ještě jednou s pomocí obrázků.

obr. 2: Tranzistor nepřipojený do obvodu

obr. 3: Tranzistor zapojený do obvodu. Jelikož levý přechod (emitor-báze) je v propustném směru, dostávají se elektrony do báze. Tam sice některé zrekombinují, ale většina se dostává do kolektoru, jelikož přechod báze-kolektor je pro ně jako minoritní nosiče v bázi v propustném směru.

Page 22: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Nezapomeňte, že na elektron jako zápornou částici působí síla, která má směr opačný než je směr intenzity elektrického pole.Zapojení se společným emitoremZapojení tranzistoru se společným emitorem je na obrázku 4.

obr. 4: Zapojení tranzistoru se společným emitoremBudicím obvodem je, obdobně jako v případě zapojení se společnou bází, obvod báze-emitor, výstupním obvodem je ale obvod kolektor-báze-emitor. Budicím proudem je proud do báze, Ib, výstupním proudem proud kolektoru, Ik. Ze soustavy dvou výše uvedených rovnic ¤ , tj.1)   Ik=Ik0+Ie ................základní rovnice tranzistoru2)   Ie=Ib+Ik ....................Kirchhoffův zákon,si vyjádříme proud Ik jako funkci proudu Ib (závislost proudu Ik na Ib).

.Kirchhoffův zákon platí ve stejné podobě jako pro zapojení se společnou bází, tj. Ie= Ib+Ik (viz obr. 4).Zde jsme označili

 = /(1-)a     Ik0’ = Ik0 / (1-) = (+1)Ik0.

Koeficient nazýváme proudové zesílení tranzistoru v zapojení se společným emitorem a Ik0’ zbytkovým proudem tranzistoru v zapojení se společným emitorem. V katalogu je obvykle uváděn koeficient a Ik0. Můžete se také setkat s označením h21b místo a h21e místo .  Zapojením tranzistoru se společným emitorem jsme získali velký koeficient proudového zesílení

= /(1-),ale zároveň jsme obdrželi podstatně větší zbytkový proud kolektoru,

Ik0’ = (+1)Ik0.Vysvětlení pomocí obrázků:

Page 23: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 5: Tranzistor nepřipojený do obvodu

obr. 6: Tranzistor zapojený do obvodu. Jelikož levý přechod (emitor-báze) je v propustném směru, dostávají se elektrony do báze. Tam sice některé zrekombinují, ale většina se dostává do kolektoru, jelikož přechod báze-kolektor je pro ně jako minoritní nosiče v bázi v propustném směru. Nezapomeňte, že na elektron jako zápornou částici působí síla, která má směr opačný než je směr intenzity elektrického pole.

VA charakteristika

Page 24: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 7: Příklad VA charakteristiky tranzistoru v propustném směru

Zapojení:

U tranzistoru (stejně jako u diody) je nutno vždy zapojovat do série s bazí ochranný rezistor, který omezuje maximální proud procházející bazí.Na obrázku 8 je praktické zapojení tranzistoru se společným emitorem.

 obr. 8: Jednostupňový tranzistorový zesilovač se společným emitorem.

Použití:

1. Jako zesilovač signálu - na bazi se přivádí malý řídící proud, kterým se ovládá velký proud v kolektorovém obvodu - zapojení viz obr. 8.2. Jako spínač - neprochází-li proud bazí, je tranzistor zavřený a funguje jako rozepnutý spínač. Při průchodu určitého proudu bazí se tranzistor otevírá a funguje jako sepnutý spínač.3. V logických obvodech ¤ a některých pamětích ¤ .

Page 25: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Zkuste si...

1. Změřit zbytkový kolektorový proud tranzistoru Ik0. Je to vlastně závěrný proud diody báze - kolektor. Máte-li dostatečně citlivý ampérmetr, můžete měřit přímo podle zapojení na obr. 9.

obr. 92. Změřit proudový zesilovací činitel v zapojení se společným emitorem. Můžete měřit v zapojení podle obr. 10.Při sepnutí spínače se proud Ib změní z nuly na i, Ik se změní z Ik0 na I. Beta je vlastně přírůstek kolektorového proudu při zvýšení proudu bazí o jednotkový proud, čili =(I-Ik0)/i .

obr. 10

Polovodičová součástka se dvěma PN přechody se nazývá tranzistor. Tvoří ho krystal polovodiče se dvěma přechody PN. Tvoří ho buď dvě části z polovodiče typu P a mezi nimi polovodič typu N (tranzistor PNP), anebo dvě části z polovodiče typu N a mezi nimi polovodič typu P (tranzistor NPN). Střední část krystalu je báze B a přechody PN ji oddělují od oblastí s opačným typem vodivosti – kolektoru C a emitoru E. Oblast kolektoru je zpravidla větší než oblast emitoru a přechody jsou v malé vzájemné vzdálenosti, takže objem báze mezi oběma přechody je velmi malý.Základní zapojení tranzistoru typu NPN je na obrázku. Jestliže připojíme kolektor a emitor ke zdroji napětí, pak při libovolné polaritě zdroje je vždy jeden z přechodů do báze zapojen v závěrném směru a tranzistorem neprochází proud.V případě, kdy je kolektor připojen ke kladnému pólu zdroje a emitor k pólu zápornému, je kolektorový přechod zapojen v závěrném směru. Kolektorovým obvodem neprochází proud.Kolektorový obvod doplníme obvodem báze tak, že báze je připojena ke kladnému pólu menšího zdroje a emitor je spojen s jeho záporným pólem. Protože napětí na přechodu mezi bází a emitorem je orientováno v propustném směru, začne obvodem báze procházet proud IB. Ovšem i kolektorovým obvodem začne procházet proud, i když napětí na přechodu mezi kolektorem a bází je orientováno v závěrném směru. Přitom kolektorový proud IC je mnohem větší než malý proud IB. Tomuto jevu se říká tranzistorový jev.Lze ho zjednodušeně vysvětlit takto: Proud báze je tvořen elektrony, které z emitoru pronikají do oblasti báze. V jejím malém objemu je nedostatek volných děr, s nimiž by se elektrony mohly rekombinovat. Současně jsou elektrony silně přitahovány ke kolektoru, který má kladný potenciál. Protože elektrony jsou v oblasti báze menšinovými nosiči náboje, mohou volně procházet kolektorovým přechodem, který je pro většinové nosiče – díry – uzavřen. To znamená, že z elektronů, které přicházejí do báze se jen malá část rekombinuje (tomu

Page 26: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

odpovídá proud IB). Většina přechází do kolektoru a vytváří značně větší proud IC.Tranzistory mají tu vlastnost, že zesilují el. proud – využívají se jako zesilovače.

3.3.1. Princip funkce bipolárního tranzistoru

Na obrázku 3.26.

obr. 3.26

vidíme velmi zjednodušeně základní strukturu bipolárního tranzistoru. Bipolární tranzistor nazýváme tak proto, že se v jeho funkci účastní nosiče náboje obou polarit. Bipolární tranzistor se skládá ze dvou přechodů PN, které jsou odděleny je velmi tenkou vrstvou polovodiče. Podle toho, zda střední vrstva je typu P nebo typu N rozeznáváme bipolární tranzistory typu NPN nebo PNP. Co to znamená ”velmi tenká” vrstva polovodiče? Měřítkem je tzv. difuzní délka nosičů. Vstřikujeme-li např. elektrony do polovodiče typu P, vytvoříme v polovodiči typu P v blízkosti přechodu vysokou koncentraci elektronů, která bude exponenciálně ubývat v důsledku rekombinace se vzrůstající vzdáleností od přechodu a vytvářet tak gradient koncentrace, který je příčinou difuze elektronů do polovodiče typu P. Vzdálenosti, na které koncentrace ubyde na 1/e násobek původní hodnoty (zde e je základ přirozených logaritmů, e=2.7182818...), říkáme difuzní délka a je jednou z charakteristik polovodiče. Bude-li šířka střední vrstvy polovodiče malá ve srovnání s difuzní délkou, jen malá část nosičů difundujících touto částí bude rekombinovat.

Page 27: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Základní zapojení bipolárního tranzistoru je rovněž znázorněno na obrázku 3.26. Spočívá v tom, že jeden přechod PN je pólován v propustném směru vůči střední části a zbývající vůči téže části v závěrném směru. Vnější elektrodu tranzistoru přiléhající k přechodu pólovanému v propustném směru nazýváme emitorem (nebo emiterem), střední část bází a zbývající elektrodu kolektorem. Na obrázku 3.26. je tranzistor nakreslen zcela symetrický, takže pojmenování elektrod je odvozeno výlučně od polarity napájecích zdrojů; v praxi bývá plocha kolektoru podstatně větší, než plocha emitoru, dotace emitoru příměsemi bývá vyšší a dotace kolektoru nižší. Důvody pro to si vysvětlíme v průběhu výkladu funkce tranzistoru.

Díky pólování přechodu emitor-báze v propustném směru dochází injekci majoritních nosičů z emitoru do báze. Abychom nemuseli vždy opisovat oba případy (PNP i NPN), vybereme si k výkladu typ NPN. Elektrony jako majoritní nosiče v emitoru jsou tedy injekovány do báze a v blízkosti přechodu emitor-báze se tedy v bázi vytváří zvýšená koncentrace elektronů. Vzniká tedy gradient koncentrace elektronů v bázi tak, že směrem ke kolektorovému přechodu elektronů v bázi ubývá. Gradient koncentrace elektronů v bázi je důvodem pro difuzi elektronů skrz bázi směrem klesajícího gradientu, tedy směrem ke kolektorovému přechodu. Cestou skrz bázi řada elektronů zrekombinuje, neboť majoritními nosiči v bázi jsou díry a tedy pravděpodobnost rekombinace je vysoká, avšak vzhledem k tomu, že tloušťka báze je malá ve srovnání s difuzní délkou, velké procento elektronů se dostane do bezprostřední blízkosti přechodu báze-kolektor. Tento přechod je pólován v závěrném směru, ale pro majoritní nosiče v bázi, tedy díry. Elektrony, které prodifundovaly bází ke kolektorovému přechodu ”vidí” naopak potenciálový skok v urychlujícím směru a tak všechny elektrony, které se dostaly do blízkosti kolektorového přechodu (do oblasti dané šířkou přechodu báze-kolektor), budou tímto potenciálovým skokem vtaženy do kolektoru. Teče-li bází elektronový proud, je nutné do báze dodávat díry na rekombinaci těch elektronů, které v bázi rekombinují; tento děrový proud tedy tvoří proud báze. Vzhledem k tomu, že v bázi zrekombinuje jen malé procento z celkového proudu elektronů, je bázový proud malý ve srovnání s proudem, který teče cestou emitor-báze-kolektor. Kromě složky kolektorového proudu tvořené elektrony, které prošly bází od emitoru existuje ještě jedna složka a to závěrný proud kolektorové diody, tvořený minoritními nosiči v bázi a v kolektoru. Pro kolektorový proud můžeme tedy napsat rovnici, kterou nazýváme základní rovnicí tranzistoru

Ik=Ik0+Ie,

kde Ik je celkový proud kolektoru, Ik0 zbytkový proud diody báze-kolektor,  proudové zesílení tranzistoru v zapojení se společnou bází a Ie emitorový proud. Kromě této rovnice musí proudy Ik, Ib a Ie splňovat 1. Kirchhoffův zákon, tedy

Ie=Ib+Ik,

kde Ib je proud bází. Zdálo by se, že proud Ik0 bychom mohli zanedbat vzhledem ke složce od emitoru, ale nejde to, neboť jednak Ie může být rovno nule a pak Ik0 tvoří jedinou složku kolektorového proudu, jednak při překročení maximálního závěrného napětí diody kolektor-báze dojde k průrazu kolektorové diody (nemusí být nutně destruktivní) a ”zbytkový” proud Ik0 pak bude tvořit převažující složku kolektorového proudu. Koeficient proudového zesílení tranzistoru v zapojení se společnou bází, , je paradoxně menší než jedna, ale z popisu principu funkce již víte, proč tomu tak je a navíc budeme ještě definovat koeficient proudového zesílení v zapojení se společným emitorem, , a ten už větší než jedna bude. Koeficient má standardně hodnoty okolo 0.99 u běžných ”dobrých” křemíkových

Page 28: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

tranzistorů, ale může dosáhnout i hodnoty okolo 0.999. Podle čeho rozeznáváme zapojení se společným emitorem, kolektorem a bází? Podle toho, která elektroda je společná ”budicímu” a výstupnímu obvodu; na obrázku 3.26. je to báze. Uveďme si nyní schematické značky tranzistoru podle obrázku 3.27.

obr. 3.27

Typy PNP (vpravo) a NPN (vlevo) se rozlišují směrem šipky u emitoru. Mnohdy konstruktéři nekreslí kroužek znázorňující schematicky pouzdro tranzistoru, tak se tím nenechte zmást; na funkci bipolárního tranzistoru se tím nic nemění.Podívejme se nyní na zapojení se společným emitorem, je na obrázku 3.28. Na tomto obrázku je zakreslen jednostupňový tranzistorový zesilovač se společným emitorem.

obr. 3.28

Budicím obvodem je, obdobně jako v případě zapojení se společnou bází, obvod báze-emitor, výstupním obvodem je ale obvod kolektor-báze-emitor. Budicím proudem je proud do báze, Ib, výstupním proudem proud kolektoru, Ik. Po relativně snadné transformaci soustavy dvou rovnic uvedených v předchozím odstavci (základní rovnice tranzistoru a Kirchhoffův zákon), vyjde nám analogie základní rovnice tranzistoru pro zapojení se společným emitorem:

Ik = (/(1-))Ib + (1/(1-)Ik0 = Ib + Ik0’

a Kirchhoffův zákon platí ve stejné podobě jako pro zapojení se společnou bází,

Ie= Ib+Ik.

Page 29: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Zde jsme označili

 = /(1-)

a     Ik0’ = Ik0 / (1-) = (+1)Ik0.

Koeficient nazýváme proudové zesílení tranzistoru v zapojení se společným emitorem a Ik0’ zbytkovým proudem tranzistoru v zapojení se společným emitorem. V katalogu je obvykle uváděn koeficient a Ik0; důvody pro to jsou spíše obchodní než fyzikální. V katalogu se rovněž můžete setkat s označením h21b místo a h21e místo , souvisí to s náhradním zapojením tranzistoru, tzv. hybridním náhradním zapojením, ale tím se v tomto učebním textu nebudeme zabývat. Vidíme tedy, že zapojením tranzistoru se společným emitorem jsme získali velký koeficient proudového zesílení

=/(1-),

ale zároveň jsme obdrželi podstatně větší zbytkový proud kolektoru,

Ik0’=(+1)Ik0.

Ukažme si ještě jednu ”nectnost” zapojení se společným emitorem a tou je nižší tzv. mezní frekvence tranzistoru. K pojmu mezní frekvence nebo mezního kmitočtu tranzistoru dospějeme nejprve pro zapojení se společnou bází podle obrázku 3.29.,

obr. 3.29

na kterém jsme si nahradili emitorový přechod tranzistoru paralelní kombinací odporu Re a kapacity Ce. Při diskusi o diodách s přechodem PN jsme si již ukázali, že kapacita přechodu je jeho inherentní vlastnost a není tedy možné vyrobit PN přechod s kapacitou rovnou nule. Proud Ie tekoucí do této kombinace zleva nám představuje proud, kterým v zapojení se společnou bází budíme tranzistor. Pouze složka Ier, která prochází rezistorem, představujícím činnou složku impedance emitorového přechodu bude tranzistorem zesílena, složka Iec, která prochází větví s kapacitou, zesílena nebude. Vyjádřeme si poměr Ier/Ie; ten nám bude představovat závislost koeficientu proudového zesílení v zapojení se společnou bází, , na kmitočtu. Jest totiž, jak jsme konstatovali, koeficient dán poměrem změny kolektorového proudu, dIk ke změně emitorového proudu, dIe, tj.

 = dIk / dIe = (dIk / dIer).(dIer / dIe).

Snadnou manipulací dojdeme ke vztahu, že

Page 30: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Ier/Ie=(1+j/)-1,

kde jsme označili =ReCe. Poměr Ier/Ie je nezávislý na Ie a je tedy

Ier/Ie=dIer/dIe.

Kmitočtu =2f0 říkáme mezní kmitočet tranzistoru v zapojení se společnou bází. Můžeme tedy pro zapojení se společnou bází napsat pro frekvenční závislost koeficientu proudového zesílení =/(1+j/), kde jsme označili symbolem koeficient proudového zesílení tranzistoru se společnou bází pro frekvenci =0. Výraz pro frekvenční závislost připomíná výraz pro napěťový přenos integračního filtru RC. Připomeňme si průběh amplitudy a fáze tohoto výrazu. Absolutní hodnotu neboli amplitudu komplexního čísla dostaneme podle Pythagorovy věty jako odmocninu ze součtu kvadrátů reálné a imaginární složky. Snadnými úpravami dospějeme k výrazu

=(1+(/)2)-1/2,     tg =-/,

kde jsme si symbolem označili fázi. Pro nízké kmitočty je a fáze 0 (radiánů). Pro = je  = /2 a = /4. Pro vysoké kmitočty klesá jako

   /     a    fáze -/2.

O říkáme, že klesá se sklonem 20 dB na dekádu, nebo, což je totéž, se sklonem 6 dB na oktávu. Připomenu ještě decibel, dB. Bezrozměrné číslo A, vyjadřující např. zesílení zesilovače, poměr dvou napětí, útlum apod., vyjádříme v decibelech jako

A [dB]= 20log10A.

Je-li tedy A=10, je to v decibelech 20, je-li A=100, je to v decibelech 40, je-li A=2, je to v decibelech (zhruba) 6. Frekvenční závislosti veličin znázorňujeme nejčastěji v grafu log-log a reálné křivky nahrazujeme jejich tečnami; zvýrazní se tak význam bodů ”zlomu” frekvenčních závislostí, neboť se dá ukázat, že tečny v měřítku log-log se právě protínají v bodech, jejichž souřadnice na ose je dána právě převrácenou hodnotou odpovídající časové konstanty RC. Těmto grafům říkáme Bodeho diagramy (anglicky Bode plot) a Bodeho diagram pro náš případ frekvenční závislosti je uveden na obrázku 3.30.

Page 31: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 3.30

Vyjádřeme si nyní frekvenční závislost použitím odvozené závislosti pro a vztahu

= / (1-).

Po nepříliš složité úpravě výrazu dojdeme ke vztahu

=/(1+j /’), kde =/(1-) a ’=(1-).

Frekvenci ’ říkáme mezní kmitočet tranzistoru v zapojení se společným emitorem. Zde vidíme, že mezní kmitočet tranzistoru je v zapojení se společným emitorem značně nižší, než v zapojení se společnou bází. Například pro =0.99 je ’ jen 1% z .

Unipolární tranzistor

Page 32: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Co je základem integrovaných obvodů a počítačů?

Princip:

Unipolární tranzistor je polovodičová součástka skládající se z polovodičů typu N a P. Oproti bipolárnímu tranzistoru ¤ má jednu základní výhodu. Bipolární tranzistor potřebuje ke své činnosti výkon do bázového (v zapojení se společným emitorem) nebo emitorového (v zapojení se společnou bází) obvodu. Z principu funkce bipolárního tranzistoru plyne, že primární veličinou ve vstupním obvodu je proud, který teče buď do báze (zapojení SE) nebo do emitoru (zapojení SB) bipolárního tranzistoru.  To neumožňuje integrovat větší množství (řádově tisíce) bipolárních tranzistorů na jediném čipu, neboť vzniklé Jouleovo teplo není miniaturní čip schopen odvést. Bipolární tranzistory se proto používají zejména v analogových integrovaných obvodech, kde není tak vysoká hustota integrace, a v číslicových obvodech malé a střední hustoty integrace. Pro obvody s vysokou hustotou integrace je potřeba tranzistor, jehož vstupním obvodem neteče proud (je řízený napětím, podobně jako elektronka). A to jsou tranzistory řízené polem, jinak nazývané FET (z anglického field effect transistor). Jejich princip je značně odlišný od principu bipolárního tranzistoru. Řídicí elektrodou tranzistorů typu FET teče buď jen velmi malý proud ekvivalentní proudu diody v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektroda izolovaná od řízeného obvodu vrstvičkou SiO2, takže jí neteče prakticky žádný proud (má  odpor cca 1012 ). Existují dva druhy unipolárních tranzistorů - JFET a MOSFET. Tranzistor JFET( junction FET)Tranzistor JFET je tvořen polovodičem, např. typu N, válcového tvaru, v jehož střední části je po obvodu vytvořen přechod PN (tj. válec je obalen "slupkou" z polovodiče typu P), tvořící hradlo neboli řídicí elektrodu tranzistoru (označení G) a čela válce jsou opatřena kontakty, představující zbývající dvě elektrody tranzistoru - zdrojová elektroda (označení S nebo E) a odtoková elektroda (označení D, K nebo C) (obr. 1). Elektroda G je zapojena na napětí UGS takové polarity vůči S, aby přechod PN byl pólován v závěrném směru, elektroda D je vůči S na kladném (pro základní polovodič typu P na záporném) napětí UDS.

Page 33: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 1: Řez tranzistorem JFET a pohled zepředu (podél osy)Vytvořením přechodu PN vznikne v blízkosti přechodu oblast vázaného náboje ¤ , jejíž šířka roste se zvětšujícím se napětí v závěrném směru. V této oblasti je tedy vázaný náboj, který nepřispívá k vedení proudu v polovodiči. Představme si, že průměr válcového trámku polovodiče tvořícího tranzistor JFET je tak malý, že je jen několikrát větší než šířka oblasti vázaného náboje na přechodu PN v případě, že na přechod není přiloženo napětí. Na obrázku je znázorněna situace, kdy je přiloženo napětí jak na hradlo, tak na odtokovou elektrodu. Trámek polovodiče tvořící tranzistor JFET je homogenní materiál a proto se na něm napětí UDS rozloží prakticky rovnoměrně po jeho délce. To znamená, že představíme-li si napětí mezi elektrodou S a místem trámku majícím vzdálenost x od elektrody S, pak toto napětí bude přímo úměrné vzdálenosti x. Elektroda G, neboli přechod PN, má konečnou délku a tedy napětí mezi elektrodou G a S je také závislé na vzdálenosti x od elektrody S a to tak, že směrem k elektrodě D závěrné napětí roste. Proto také šířka oblasti vázaného náboje v okolí přechodu roste směrem k elektrodě D, což má za následek zúžení průřezu válcové části polovodiče, kterou může téci proud. Zvětšíme-li nyní (závěrné) napětí UGS, zmenšíme dále tento průřez a lze si snadno představit situaci, kdy napětí UGS bude tak vysoké, že se oblasti vázaného náboje spojí v ose válce, takže průřez té části polovodiče, která obsahuje volné nosiče náboje, a která tedy může přispívat k vedení proudu mezi elektrodami S a D, bude roven nule a proud mezi elektrodami S a D klesne rovněž na nulu. Jinými slovy: napětím mezi elektrodami G a S řídím velikost proudu mezi elektrodami S a D; tranzistor funguje podobně jako elektronka. Proud tekoucí do řídicí elektrody (u elektronky dán prakticky jen izolačním odporem mezi mřížkou a katodou, tedy prakticky v řádu 10-12 A, tedy zcela zanedbatelný) je dán závěrným proudem přechodu PN, tj. je v řádu jednotek až desítek nA.

Page 34: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 2: Schematické značky pro tranzistor JFETTranzistor MOSFET (Metal - oxid - semiconductor FET)Hradlo je izolováno tenkou vrstvičkou izolantu, např. SiO2. Jeho odpor je tedy teoreticky nekonečný, v praxi je řádu 1011-1012 .

obr. 3: Struktura tranzistoru MOSFETV kusu polovodiče typu N jsou dvě oblasti typu P a ty slouží jako elektrody S a D. Řídicí elektroda G je mezi těmito oblastmi a je izolována tenkou vrstvou SiO2. Přiložíme-li nyní na řídicí elektrodu dostatečně vysoké záporné napětí (avšak nikoliv tak vysoké, aby nastal elektrický průraz vrstvičky SiO2), vytvoří se na povrchu polovodiče typu N v blízkosti hradla tzv. inverzní vrstva, tj. vrstva o opačné vodivosti, tedy o vodivosti P a tato inverzní vrstva propojí obě oblasti typu P (elektrody S a D) a mezi těmito elektrodami může procházet proud (obr. 4).

obr. 4: MOSFET po přiložení záporného napětí na řídící elektroduProč inverzní vrstva vzniká? Přiložíme-li na hradlo G záporné napětí vůči elektrodě S, vzniká elektrostatickou indukcí elektrické pole v izolační vrstvě SiO2 - kladný náboj ve vrstvě se hromadí v blízkosti hradla a záporný v blízkosti povrchu polovodiče. Tento záporný náboj opět indukuje hromadění kladného náboje v polovodiči. V blízkosti rozhraní oxid-polovodič tedy vzniká v polovodiči typu N vrstva ochuzená o elektrony. Toto ochuzení o elektrony může v polovodiči vést k vytvoření vrstvy opačné vodivosti, než měl původní polovodič, tedy typu P; tato vrstva se proto nazývá inverzní vrstva (obr. 4).  Obdobný efekt nastává, zvolíme-li základní materiál typu P, elektrody S a D vytvoříme oblastmi typu N a na hradlo G a elektrodu D budeme přikládat kladné napětí vůči elektrodě S.

Page 35: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Podle toho, jaké vodivosti je inverzní vrstva, rozlišujeme tranzistory MOSFET s kanálem typu N a s kanálem typu P. Mnemotechnicky si můžeme pamatovat, že polarita napětí na kolektoru bipolárního tranzistoru NPN v zapojení SE je stejná jako na elektrodě D tranzistoru MOSFET s kanálem typu N, tedy kladná vůči emitoru nebo elektrodě S, a naopak záporná vůči emitoru nebo elektrodě S, jedná-li se o tranzistor typu PNP nebo MOSFET s kanálem typu P. Proto se také často používá označení K nebo C pro elektrodu D a E pro elektrodu S; je však třeba si uvědomovat, že oba druhy tranzistorů (bipolární a unipolární) pracují na zcela odlišných fyzikálních principech.U výše popsaného tranzistoru ¤ MOSFET nepoteče proud IDS mezi elektrodami D a S, bude-li na elektrodě G nulové napětí vůči elektrodě S. Je to tím, že inverzní vrstva je indukována napětím na hradle tranzistoru, bez napětí inverzní vrstva neexistuje a tranzistor tedy nevede. Říkáme, že se jedná o tranzistor MOSFET s indukovaným kanálem. Pracovní oblast napětí na hradle leží tedy (pro MOSFET s indukovaným kanálem typu P) v oblasti záporných napětí vůči elektrodě S. To je často výhoda, neboť nám v aplikaci stačí jeden zdroj napětí, ale nelze vzájemně zaměňovat typy MOSFET a JFET. Z tohoto důvodu byl vyvinut ještě jeden druh tranzistorů typu MOSFET, a sice MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem (obr. 5). 

obr. 5: MOSFET s technologicky vytvořeným kanálemJeho struktura se neliší podstatně od té, znázorněné na obr. 3 ¤ , pouze při povrchu základního polovodiče u oxidové vrstvičky je technologicky vytvořena tenká oblast vodivosti P, která slouží jako vodivý kanál mezi elektrodami S a D v případě, že na elektrodě G je nulové napětí vůči S. Tranzistor MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem tedy vede proud IDS v případě, že na elektrodě G je nulové napětí. Je-li kanál technologicky vytvořen, může tranzistor MOSFET pracovat ve dvou režimech, režimu obohacení a režimu ochuzení. Režim obohacení nastává při přiložení záporného napětí na elektrodu G, kdy se elektrostatickou indukcí kanál dále rozšiřuje a tedy ochuzuje o elektrony a stává se vodivější (obr. 6). Režim ochuzení: Při přiložení kladného napětí na elektrodu G nastává opět elektrostatická indukce, ale s opačným efektem, technologicky vytvořený kanál typu P se obohacuje o elektrony, jeho průřez klesá, až při určitém dostatečně velikém kladném napětí UGS proud mezi elektrodami S a D klesne prakticky na nulu, tranzistor se zavře( obr. 7). 

Page 36: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 6: MOSFET v režimu obohacení obr. 7: MOSFET v režimu ochuzení Pracovní oblast tranzistoru MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem leží tedy obecně v kladných i záporných napětích UGS, a je možno ji vhodným technologickým postupem ”posunout” buď víc do oblasti kladných nebo víc do oblasti záporných napětí na hradle. Tranzistor MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem může proto sloužit jako ekvivalent tranzistoru JFET a tedy i elektronky.Aby byly tranzistory MOSFET co nejcitlivější, mají velmi tenkou izolační vrstvičku. Ta může být snadno elektricky proražena. Jak tomu zamezit se dočtete zde ¤.

Použití:

Používá se podobně jako bipolární tranzistor ¤ (tj. např. zesilovače či spínače), oproti němu má tu výhodu, že je řízen napětím.Jiný příklad použití je v logických obvodech ¤. Konkrétní zapojení obvodu realizujícího logickou funkci negace je na obr. 8.

obr. 8: Zapojení obvodu NOT s unipolárním tranzistoremFunkce obvodu: Není-li na vstupu žádné napětí (logická nula), je tranzistor zavřen, má velký odpor, neteče jím proud a na jeho výstupu je prakticky celé napětí zdroje, tedy logická 1.Je-li na vstupu napětí, je tranzistor otevřen, má malý odpor, tedy je na něm malé napětí a tedy na výstupu je logická nula.

Page 37: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

3.3.2. Princip funkce unipolárního tranzistoru

Bipolární tranzistor potřebuje ke svému buzení výkon do bázového (v zapojení se společným emitorem) nebo emitorového (v zapojení se společnou bází) obvodu. Z popsaného principu funkce bipolárního tranzistoru totiž plyne, že primární veličinou ve vstupním obvodu je proud, který teče buď do báze (zapojení SE) nebo do emitoru (zapojení SB) bipolárního tranzistoru. Tato vlastnost neumožňuje integrovat větší množství (řádově tisíce) bipolárních tranzistorů na jediném čipu, neboť generované Jouleovo teplo by miniaturní čip nebyl schopen odvést. Bipolární tranzistory se proto používají zejména v analogových integrovaných obvodech, kde není tak vysoká hustota integrace, a v číslicových obvodech malé a střední hustoty integrace. Například řada druhů integrovaných operačních zesilovačů je konstruována na bipolárních tranzistorech, z číslicových obvodů jsou to technologie MTL (merged transistor logic) a ECL (emitter coupled logic); posledně zmíněná technologie se používá pro konstrukce velmi rychlých, tzv. zápisníkových pamětí (scratchpad memory) s dobou přístupu okolo 1 ns.

Bipolární tranzistor tedy sám o sobě nepředstavuje ekvivalent elektronky v pevné fázi, neboť, jak víme, elektronka je řízena napětím na řídicí mřížce, které je v pracovní oblasti elektronky záporné a tedy neteče mřížkový proud (řídicí mřížka odpuzuje elektrony). Výkon v mřížkovém, tedy řídicím, obvodu elektronky je tedy roven nule a elektronka tedy představuje aktivní prvek řízený napětím.

Potřeba aktivního prvku v pevné fázi s vysokým vstupním odporem vedla k objevu a konstrukci tzv. tranzistorů řízených polem, jinak nazývaných FET (z anglického field effect transistor). Jsou to tranzistory, jejichž fyzikální princip funkce je odlišný od principu, na kterém pracují bipolární tranzistory. Řídicí elektrodou tranzistorů typu FET teče buď jen velmi malý proud ekvivalentní proudu diody v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektroda izolovaná od řízeného obvodu vrstvičkou SiO2, takže jí neteče prakticky žádný proud (představuje ss odpor o velikosti cca 1012 ).

Historicky první vznikly tranzistory s řídicí elektrodou (hradlem) izolovanou závěrně pólovaným přechodem PN, tzv. tranzistory JFET (junction FET). Princip funkce tohoto tranzistoru je patrný z obrázku 3.31.

 

Page 38: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 3.31

Pro výklad si můžeme představit, že tranzistor JFET je tvořen polovodičem, např. typu N válcového tvaru, kde ve střední části je po obvodu vytvořen přechod PN (obrázek 3.31. ukazuje řez touto strukturou), tvořící hradlo (řídicí elektrodu, gate, G) tranzistoru a čela válce jsou opatřena kontakty, představující zbývající dvě elektrody tranzistoru. Elektroda, ke které vztahujeme napětí na tranzistoru, se nazývá zdrojová elektroda (source, S), elektroda, na kterou je připojeno napětí, odtoková elektroda (drain, D). Přestože tato označení elektrod popisují lépe funkci jednotlivých elektrod, v naprosté většině schemat se setkáte s označením E místo S a K (nebo C) místo D, takže často jediným rozlišením je poněkud jiný tvar schematické značky (viz též obrázek 3.31) a označení řídicí elektrody, která se dosti systematicky označuje písmenem G. Elektroda G je zapojena na napětí UGS takové polarity vůči S, aby přechod PN byl pólován v závěrném směru, elektroda D je vůči S na kladném (pro základní polovodič typu P na záporném) napětí UDS. Připomeňme si funkci přechodu PN; vytvořením přechodu PN vznikne v blízkosti přechodu oblast vázaného náboje, jejíž šířka je, zhruba řečeno, nepřímo úměrná odmocnině z koncentrace příměsí. Tato šířka dále závisí na přiloženém napětí v závěrném směru tak, že s rostoucím napětím v závěrném směru roste i šířka této oblasti. V této oblasti je tedy vázaný náboj (jsou to ionty příměsí, které jsou vázány v mříži), který nepřispívá k vedení proudu v polovodiči. Podívejme se nyní na obrázek 3.31 a představme si, že průměr válcového trámku polovodiče tvořícího tranzistor JFET je tak malý, že je jen několikrát větší než šířka oblasti vázaného náboje na přechodu PN v případě, že na přechod není přiloženo napětí. Na obrázku je znázorněna situace, kdy je přiloženo napětí jak na hradlo, tak na odtokovou elektrodu. Trámek polovodiče tvořící tranzistor JFET je

Page 39: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

homogenní materiál a proto se na něm napětí UDS rozloží prakticky rovnoměrně po jeho délce. To znamená, že představíme-li si napětí mezi elektrodou S a místem trámku majícím vzdálenost x od elektrody S, pak toto napětí bude přímo úměrné vzdálenosti x. Elektroda G, neboli přechod PN, má konečnou délku a tedy napětí mezi elektrodou G a S je také závislé na vzdálenosti x od elektrody S a to tak, že směrem k elektrodě D závěrné napětí roste. Proto také šířka oblasti vázaného náboje v okolí přechodu roste směrem k elektrodě D, což má za následek zúžení průřezu válcové části polovodiče, kterou může téci proud. Zvětšíme-li nyní (závěrné) napětí UGS, zmenšíme dále tento průřez a lze si snadno představit situaci, kdy napětí UGS bude tak vysoké, že se oblasti vázaného náboje spojí v ose válce, takže průřez té části polovodiče, která obsahuje volné nosiče náboje, a která tedy může přispívat k vedení proudu mezi elektrodami S a D, bude roven nule a proud mezi elektrodami S a D klesne rovněž na nulu. Jinými slovy napětím mezi elektrodami G a S řídím velikost proudu mezi elektrodami S a D; vytvořil jsem aktivní prvek v pevné fázi, jehož funkce je, z hlediska vnějšího obvodu, obdobná jako u elektronky. Proud tekoucí do řídicí elektrody (u elektronky dán prakticky jen izolačním odporem mezi mřížkou a katodou, tedy prakticky v řádu 10-12 A, tedy zcela zanedbatelný) je dán závěrným proudem přechodu PN, tj. je v řádu jednotek až desítek nA. Všimněme si ještě, že pracovní oblast právě popsaného JFETu, tedy oblast napětí na hradle, kdy dochází k ovlivňování proudu mezi elektrodami S a D, leží v oblasti napětí záporných vůči elektrodě S, je-li tranzistor tvořen materiálem typu N (takový tranzistor pak nazýváme tranzistor JFET s kanálem typu N) a kladných vůči elektrodě S, je-li tranzistor JFET tvořen materiálem typu P (JFET s kanálem typu P). JFET s kanálem typu N pak tvoří prakticky přímou náhradu elektronky, kde elektroda S odpovídá katodě, elektroda D anodě a hradlo G mřížce. Podobně jako u elektronek se proto zavádí tzv. strmost tranzistoru FET, tj. derivace dIDS/dUGS při konstantním napětí UDS (má rozměr Siemens, častěji se však používá jednotka mA/V), která představuje skutečně strmost (tedy směrnici tečny) převodní charakteristiky tranzistoru JFET.

Objev tranzistoru JFET byl za krátkou dobu následován objevem tranzistoru typu MOSFET. U tohoto tranzistoru je hradlo izolováno tenkou vrstvičkou izolantu, např. SiO2 a tak stejnosměrný vstupní odpor tohoto prvku je teoreticky nekonečný, v praxi je řádu 1011-1012 .

Typická struktura MOSFETu je ukázána na obrázku 3.32.

obr. 3.32

Page 40: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Do substrátu o vodivosti P jsou nadifundovány dvě oblasti typu N a tyto oblasti slouží jako elektrody S a D. Řídicí elektroda je mezi těmito oblastmi a je izolována tenkou vrsvou SiO2. Přiložíme-li nyní na řídicí elektrodu dostatečně vysoké kladné napětí (avšak nikoliv tak vysoké, abychom izolační vrsvičku prorazili), vytvoří se na povrchu polovodiče typu P v blízkosti hradla tzv. inverzní vrstva, tj. vrstva o opačné vodivosti, tedy o vodivosti N a tato inverzní vrstva propojí oblasti typu N (tedy elektrody S a D) a proud mezi těmito elektrodami může procházet. Průřez kanálu mezi elektrodami S a D, tvořeného touto inverzní vrstvou, je závislý na velikosti rozdílu mezi napětím, přiloženým na hradlo tranzistoru a napětím ve vzdálenosti x od elektrody S tranzistoru, podobně jako tomu bylo u tranzistoru JFET. Zde je ale napětí na hradle a napětí na elektrodě D tranzistoru stejné polarity, což má za následek, že průřez kanálu klesá se vzdáleností x. V blízkosti elektrody D se může stát, pro určitou velikost napětí UGS a napětí UDS, že inverzní vrstva zmizí a omezí tak proud mezi elektrodami S a D. To se projeví na výstupní charakteristice tranzistoru (závislost proudu IDS na napětí UDS pro konstantní UGS) saturací proudu od určité hodnoty UDS.

Vznik inverzní vrstvy je možné kvalitativně vysvětlit následující úvahou. Přiložíme-li na hradlo G tranzistoru MOSFET kladné napětí vůči elektrodě S, vzniká efektem elektrostatické indukce elektrické pole v izolační vrstvě, neboť záporný náboj ve vrstvě se hromadí v blízkosti hradla a kladný v blízkosti povrchu polovodiče. Tento kladný náboj opět indukuje hromadění záporného náboje v blízkosti rozhraní oxid-polovodič, ale na straně polovodiče. V blízkosti rozhraní oxid-polovodič tedy vzniká v polovodiči typu P vrstva obohacená elektrony. Je-li náboj nahromaděný na straně oxidu v blízkosti rozhraní oxid-polovodič dostatečně veliký (to závisí na velikosti napětí na elektrodě G a na tloušťce izolační vstvičky, tj. na elektrickém poli, které se přes oxidovou vrstvičku vytvoří), může obohacení elektrony v polovodiči vést k vytvoření vrstvy opačné vodivosti, než měl původní polovodič, tedy typu N; tato vrstva se nzývá proto inverzní vrstva. Obdobný efekt nastává, zvolíme-li základní materiál typu N, elektrody S a D vytvoříme oblastmi typu P a na hradlo G a elektrodu D budeme přikládat záporné napětí vůči elektrodě S. Podle toho, jaké vodivosti je inverzní vrstva, rozlišujeme tranzistory MOSFET s kanálem typu N a s kanálem typu P. Mnemotechnicky si můžeme pamatovat, že polarita napětí na kolektoru bipolárního tranzistoru NPN v zapojení SE je stejná jako na elektrodě D tranzistoru MOSFET s kanálem typu N, tedy kladná vůči emitoru nebo elektrodě S, a naopak záporná vůči emitoru nebo elektrodě S, jedná-li se o tranzistor typu PNP nebo MOSFET s kanálem typu P. Proto se také často používá označení K nebo C pro elektrodu D a E pro elektrodu S; je však třeba si uvědomovat, že oba druhy tranzistorů (bipolární a unipolární) pracují na zcela odlišných fyzikálních principech.

U výše popsaného tranzistoru MOSFET nepoteče proud IDS, bude-li na elektrodě G nulové napětí vůči elektrodě S. Je to tím, že inverzní vrstva je indukována napětím na hradle tranzistoru, bez napětí inverzní vrstva neexistuje a tranzistor tedy nevede. Říkáme, že se jedná o tranzistor MOSFET s indukovaným kanálem. Pracovní oblast napětí na hradle leží tedy (pro MOSFET s indukovaným kanálem typu N) v oblasti kladných napětí vůči elektrodě S. To je často výhoda, neboť nám v aplikaci stačí jeden zdroj napětí, ale pracovní oblasti tranzistoru MOSFET a tranzistoru JFET s kanálem stejné vodivosti se nepřekrývají, takže např. není možná záměna obou typů. Z tohoto důvodu byl vyvinut ještě jeden druh tranzistorů typu MOSFET a sice MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem. Jeho struktura se neliší podstatně od té, znázorněné na obrázku 3.32, pouze při povrchu základního polovodiče u oxidové vrstvičky je technologicky vytvořena tenká oblast vodivosti N, která slouží jako vodivý kanál mezi elektrodami S a D v případě, že na elektrodě G je nulové napětí vůči S. Tranzistor MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem tedy vede proud IDS v případě, že

Page 41: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

na elektrodě G je nulové napětí. Je-li kanál technologicky vytvořen, může tranzistor MOSFET pracovat ve dvou režimech, režimu obohacení (enhancement) a režimu ochuzení (depletion). Režim obohacení nastává při přiložení kladného napětí na elektrodu G, kdy stejným mechanismem elektrostatické indukce jako byl popsán u MOSFETu s indukovaným kanálem se kanál dále rozšiřuje a tedy obohacuje o elektrony, stává se vodivější a příslušné výstupní charakteristiky se nasycují při vyšším proudu (při jinak stejném UGS). Při přiložení záporného napětí na elektrodu G funguje opět mechanismus elektrostatické indukce, ale s opačným efektem, technologicky vytvořený kanál typu N se ochuzuje o elektrony, jeho průřez klesá, až při určitém dostatečně velikém záporném napětí UGS proud mezi elektrodami S a D klesne prakticky na nulu, tranzistor se zavře. Režimu tranzistoru MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem typu N při přiložení záporného napětí na hradlo říkáme proto režim ochuzení. Pracovní oblast tranzistoru MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem leží tedy obecně v kladných i záporných napětích UGS, a je možno ji vhodným technologickým postupem ”posunout” buď víc do oblasti kladných nebo víc do oblasti záporných napětí na hradle. Tranzistor MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem může proto sloužit jako ekvivalent tranzistoru JFET a tedy i elektronky.

Při práci s tranzistory MOSFET je třeba zachovávat zásady práce se součástkami citlivými na statickou elektřinu. Aby byla strmost tranzistorů MOSFET co nejvyšší, vyrábí se tranzistory MOSFET s velmi tenkou izolační vrstvičkou, která snese jen velmi malé napětí, např. jen 20-30 V. To znamená, že tato vrstvička může snadno být proražena napětím, které vzniká třením oděvu z umělé hmoty o vzduch, nebo o nábytek z umělé hmoty (vodivost dřeva je obvykle dostatečná, aby se statický náboj nemohl vytvořit, ale pozor na dřevěné židle s umělohmotným potahem), které může snadno dosáhnout několika kV. Jistě jste již zažili jiskru, která přeskočila mezi vaším prstem a uzemněným předmětem potom, co jste si např. svlékli svetr z umělé hmoty. Tato jiskra je i několik mm dlouhá a v suchém vzduchu se napětí může zhruba měřit délkou jiskry: 1mm 1kV. Takové napětí nemůže vydržet žádný tranzistor MOSFET a proto nezbývá než jej před takovými událostmi chránit. Správné pracoviště s elektronickými součástkami, které jsou citlivé na statickou elektřinu (anglický název pro tyto součástky je ESD sensitive devices - Electro-Static-Discharge sensitive devices, česky zařízení citlivé na statickou elektřinu), má obsahovat uzemněnou pracovní plochu, např. stůl pokrytý uzemněným plechem, a pracovník má mít na zápěstí uzemněný náramek. Je třeba dávat i pozor na přítomnost vysílačů, neboť napětí naindukované na nožičkách součástky vlivem pole od vysílače může též součástku zničit; tranzistory FET se proto dodávají se zkratovanými vývody a zkratovací perko se může odstranit až po zaletování součástky do obvodu. Ve své praxi se s největší pravděpodobností nesetkáte se situací, kdy byste museli sami tranzistor letovat (v tom případě nepoužívejte transformátorové pájky, ale pájky s nepřímým ohřevem, jejíž pouzdro je možné uzemnit). Velmi pravděpodobně však budete muset např. vyměnit desku v počítači, která je plná integrovaných obvodů s tranzistory MOSFET. Této akce se není třeba obávat, neboť všechny integrované obvody obsahující tranzistory MOSFET jsou na svých vstupech chráněny proti přepětí; to však neznamená, že nejdou zničit jiskrou. Vždy je proto zapotřebí před tím, než se dotknete vlastní desky, dotknout se uzemněného kovového předmětu, např. ústředního topení, kohoutku od vodovodu apod. a pak se vyvarovat akcí, které by mohly vést k vašemu opětovnému nabití, např. vstaní ze židle. Vyjmutou desku z počítače je nejlépe hned vložit do původního plastikového obalu, který je zhotoven z vodivé umělé hmoty, nebo alespoň zabalit do papíru, který zdaleka není tak nevodivý, jak by se mohlo zdát; v žádném případě však do obyčejného PVC sáčku, to je vysoce nevodivá hmota velmi náchylná k lokálnímu nabití. Zabýval jsem se při tomto popisu pouze ochranou proti statické elektřině, nemusím snad zdůrazňovat, že před takové akci musí

Page 42: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

být počítač vypnut a ponechán určitou dobu vypnutý, aby se vybily náboje na eventuálních kondenzátorech.

Pro zvídavé posluchačky a posluchače uvádím, že ochrana řídicí elektrody proti statickému náboji se obvykle provádí pomocí Zenerových diod zapojených mezi G a S, nebo pomocí obyčejných diod zapojených proti zápornému a kladnému pólu napájení. Je možná i ochrana doutnavkou, která však musí mít zápalné napětí nižší, než je maximální povolená hodnota UGS; tato ochrana je však rozměrná, vhodná jen pro vyšší napětí UGS a navíc nepříliš spolehlivá, neboť zápalné napětí doutnavky může s časem růst (rozprašují se elektrody a vrstva kovu na skle doutnavky zevnitř působí jako sorpční vývěva, tlak v doutnavce klesá a zápalné napětí roste). Možné obvody ochrany hradla tranzistoru MOSFET jsou na obrázcích 3.33a, 3.33b

obr. 3.33a - ochrana doutnavkou

obr. 3.33b ochrana ochrana dvojicí Zenerových diod

Page 43: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Polovodičová součástka se třemi PN přechody se nazývá tyristor – slouží k bezkontaktnímu spínání obvodu.Obvod složený z polovodičových součástek vytvořený na společné polovodičové destičce se nazývá čip. Současná technologie umožňuje umístit celý funkční elektronický celek do jediného pouzdra. Takto vzniklá součástka se nazývá integrovaný obvod. Mikroprocesor je složitý integrovaný obvod, který lze naprogramovat.

Tyristor

Jak "bezeztrátově" regulovat proud v obvodu?

Tyristor je polovodičová součástka se třemi PN přechody, která se používá jako spínač k regulaci výkonu - tzv. bezeztrátové regulaci.Jak je vůbec možno jednoduše regulovat výkon (odporová regulace)? Rozmyslete si to, odpověď je zde ¤ .

Page 44: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

A jak funguje bezeztrátová regulace? Nakreslíme-li si graf závislosti okamžitého výkonu na čase, je celková práce W za čas T rovna "ploše pod křivkou výkonu" a průměrný výkon vypočteme jako P = W / T. Tedy čím menší je "plocha pod křivkou", tím menší je průměrný výkon spotřebiče. Jelikož okamžitý výkon p je roven součinu okamžitých hodnot napětí u a proudu i, je možno ho regulovat tak, že v obvodu nebude žádný rezistor navíc, ale proud obvodem poteče pouze po část periody (budu mít v obvodu spínač, který se bude periodicky spínat  a rozepínat (obr. 1)) - obr. 2 - 5. obr. 1

obr. 2: Časový průběh jednocestně usměrněného proudu

obr. 3: Časový průběh jednocestně usměrněného proudu v obvodu se spínačem. Spínač se periodicky spíná a rozepíná, když je rozepnut, proud neteče. 

obr. 4: Časový průběh výkonu proudu z obr. 2

Page 45: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 5: Časový průběh výkonu proudu z obr. 3Plocha pod křivkou výkonu na obr. 5 je menší než na obr. 4 => průměrný výkon na obr. 5 je větší než na obr. 4. Připojíme - li žárovku do obvodu s průběhem proudu podle obr. 3,  bude svítit méně než kdyby jí procházel proud stále. Regulačním prvkem je zde tedy spínač, čili na něm by mohly nastávat ztráty.  Ovšem je-li spínač rozepnut, je výkon na spínači roven nule, protože jím protéká nulový proud. Je-li spínač sepnut, je výkon na něm také nulový, protože má (alespoň ideální spínač) nulový odpor. Efektivní hodnota proudu a obvodu a tedy i výkon žárovky se snížil, ale nejsou žádné ztráty - regulace je bezeztrátová.Ve skutečnosti nějaké ztráty přece jen nastávají. O jejich příčinách se dozvíte zde.

Princip tyristoru:

Tyristor je čtyřvrstvý spínací prvek, tj. prvek obsahující tři přechody PN. Je to vlastně čtyřvrstvá dioda ¤ s vyvedenou další elektrodou - řídící elektroda G (obr. 6). Strukturu tyristoru si (podobně jako u čtyřvrstvé diody ¤ ) můžeme představit následujícím způsobem (obr. 7). 

obr. 6: Struktura tyristoru

Page 46: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 7: Nahrazení struktury tyristoru dvěma tranzistoryNení-li na řídící elektrodě G žádné napětí (proti katodě), je tranzistor 2 zavřený. Proto má velký odpor a je na něm celé napětí zdroje => žádné napětí "nezbude" na tranzistor 1 => ten je také zavřený.Přiložíme-li na G napětí, tranzistor 2 se otevře (teče proud do jeho baze - viz princip tranzistoru ¤ ) a tím může procházet proud i bazí tranzistoru 1 a ten se také otevře. I když bychom teď odstranili napětí na G, proud bude tranzistory procházet dále - oba se navzájem podporují v otevřeném stavu (stejně jako u čtyřvrstvé diody ¤ ). Proud přestane procházet až teprve při poklesu proudu mezi A a K na nulu nebo na určitou hodnotu tzv. přídržného proudu (danou typem tyristoru). Toto je tzv. tyristorový jev. Na pokus se podívejte na video ¤(formát *.rm 621 kB, ev. formát *.avi ¤ 3595 kB).Kvantitativní úvaha je zde ¤ .

obr. 8: Schematická značka tyristoru

VA charakteristika:  

Page 47: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 9: VA charakteristika tyristoruCharakteristika v závěrném směru je v podstatě stejná jako charakteristika diody. Při určitém napětí dojde k průrazu. Vzhledem k tomu, že tyristor má složitější strukturu než dioda, je náchylnější na průraz. Většinou se proto zapojuje sériově s další diodou.Charakteristika v propustném směru s odpojenou řídící elektrodou je stejná jako charakteristika čtyřvrstvé diody ¤ . Při spínacím napětí nastane průraz na tom jednom přechodu, který je v závěrném směru, a napětí na tyristoru prudce klesne a proud rychle vzrůstá.Prochází-li proud řídící elektrodou, spínací napětí se snižuje. Je-li na tyristoru napětí menší, než je spínací napětí nutné pro sepnutí tyristoru s nulovým IG, můžeme tyristor sepnout krátkým proudovým impulsem do řídicí elektrody; to je nejběžnější způsob spínání tyristoru.

Použití:

Tyristor se používá pro bezeztrátovou regulaci výkonu. Jeho použití je zejména vhodné v obvodech střídavého napětí, neboť každý průchod napětí nulou automaticky vypne tyristor a ten čeká na další zapnutí. Jediné, co je zapotřebí k regulaci výkonu pomocí tyristoru, je zařízení, které ”vyrobí” spouštěcí puls do řídící elektrody tyristoru ve vhodné fázi periody střídavého napětí. Nejjednodušší je použít pro řízení fáze jednoduchého RC členu s měnitelnou časovou konstantou RC například pomocí proměnného odporu (obr. 10).

Page 48: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 10: Použití tyristoruJe-li odpor nastaven na nulu, spíná se tyristor prakticky okamžitě po průchodu napětí nulou, je-li odpor nastaven na větší hodnotu, zpožďuje se napětí na kondenzátoru za napětím na tyristoru a ten zapne až za určitý čas po průchodu napětí nulou; výkon na zátěži bude v tomto případě menší.Pomalu vzrůstající napětí na řídicí elektrodě tyristoru může vést k jeho zapínání v ne zcela přesně určený časový okamžik; proto se do obvodu zařazuje ještě diak ¤ , který změní pomalý průběh napětí na kondenzátoru ve strmý proudový impuls.Tyristory se vyrábějí pro napětí od stovek voltů do několika kV a pro proudy od jednotek A do několika kA. Tyristorová regulace výkonu je  značně rozšířená. Jde například o regulaci svitu žárovek, vrtačky s regulací otáček, svářečky, moderní tramvaje nebo elektrické lokomotivy. 

Poznámka:

Jak již bylo řečeno ¤ , energie se na tyristoru ztrácí tím, že se při spínání a rozpínání vyzařuje do okolí ve formě elektromagnetického vlnění. Toto vlnění může nežádoucím způsobem ovlivňovat jiná zařízení - používá-li soused špatně odrušený vysavač, nelze se dívat na televizi nebo poslouchat rádio. Z tohoto důvodu jsou všechny spotřebiče, které mohou potenciálně vyzařovat energii, přísně kontrolovány na tzv. elektromagnetickou kompatibilitu. Jedná se jak o úroveň vyzařování, tak o citlivost na tyto rušivé vlivy; neradi bychom třeba letěli v letadle, jehož navigační systém by mohl být ovlivněn tím, že v blízkosti letiště jezdí tyristorově řízené tramvaje. 

"Bezeztrátová" regulace - ztrátyCo způsobuje ztráty u "bezeztrátové" regulace?

Page 49: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Žádný spínač nespíná ani nerozepíná za nulový čas. Znamená to, že spínač je po určitou dobu odporem reálné ne nulové ani ne nekonečné hodnoty a tedy se na něm ztrácí výkon úměrný době, po kterou v tomto stavu je. Za druhé, mění-li se rychle proud v obvodu, chovají se vodiče v obvodu částečně jako anténa a vyzařují elektromagnetické pole. To jsou další ztráty výkonu a navíc vyzařování může způsobit vážné poruchy v příjmu rozhlasu a televize a v komunikacích. Vyzařování se zmenšuje se zmenšující se rychlostí spínání, ale tím se zvětšují ztráty na spínači. "Bezeztrátová" regulace tedy není zcela bezeztrátová, nicméně ztráty jsou velmi malé ve srovnání s odporovou regulací.

Diak

Jak vyrobit z pomalu se měnícího napětí strmý proudový impuls?

Princip:

Diak se symetrická součástka se dvěma PN přechody. Jeho struktura je na obr. 1.

obr. 1: Struktura diaku obr. 2: Schematická značka diaku

Při zapojení diaku do obvodu je vždy jeden PN přechod v propustném a jeden v závěrném směru. Přechod v propustném směru má o mnoho menší elektrický odpor než přechod v závěrném směru. Na přechodu v závěrném směru je tedy větší napětí (prakticky celé napětí na diaku). V okamžiku, kdy napětí dosáhne hodnoty průrazného napětí, se přechod stává vodivým - diak je v sepnutém stavu. Toto průrazné (spínací) napětí je obvykle 24 V - 48 V. I v sepnutém stavu má diak poměrně značný odpor - několik kiloohmů. 

VA charakteristika:

Page 50: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 3: Typová VA charakteristika diaku Po dosažení spínacího napětí se proud začíná rychle zvětšovat.

Použití:

Používá se ve spínacích obvodech tyristorů ¤ .

SCR nebo křemík řídil usměrňovač: dioda to nediriguje, než to je odjištěno tím, že aplikuje velmi malé napětí, obvykle 1 k 20 voltům, k jeho “bráně”. Jednou spustil to může jen být zastaveno tím, že zastaví elektrický proud, který teče přes to. SCRs je velmi užitečný v kontrole A.C. (střídavý proud) protože oni se zavřou automaticky v tomto okamžiku proud klesne do nulového, každého polovičního cyklu (0.008333 sekundy pro proud domu u 60 hertz) a pak moci být “odjištěný” jakmile znovu. Oni jsou vyrobeni v rozsahu velikostí, se sílou-se zabývat kapacitami od nemnoho watts k tens megawattů.

Triac: dva SCR je to jsou spojené zastavení konce nebo záda k zádům, zatímco jejich brány jsou spojeny spolu. Toto skončí dva řídící “dioda” elektrický vypínač kde proud může proudit v obou směrech, když to je odjištěno (zapnutý). Nižší síla ones být používán všude, obzvláště zařízení.

Tyristory navazují svým technologickým řešením na tranzistory. Základním principem tyristoru je využití čtyřvrstvé struktury PNPN (nebo NPNP). Jednotlivé vrstvy polovodiče vytvářejí tři přechody PN uspořádané tak, že mohou v uzavřeném stavu blokovat napětí obou polarit. Voltampérová charakteristika čtyřvrstvé struktury je na Obr.1.

Page 51: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Obr.1 Ukázka výstupních charakteristik tyristoru a schématická značka tyristoru

Tyristor s voltampérovou charakteristikou dle Obr.1 lze uvést do sepnutého stavu buďto zvyšováním napětí UD až nad hodnotu blokovacího spínacího napětí UB0 nebo přivedením řídícího proudu na řídící elektrodu tak, aby přechod PN řídící elektroda/katoda byl polarizován v propustném směru. Vypnutí tyristoru následuje automaticky po přerušení řídícího proudu, ale až po poklesu anodového proudu pod velikost hodnoty vratného proudu Ih. Měřený tyristor KT207 má základní strukturu PNPN a k sepnutí tohoto typu tyristoru je nutné přivést na řídící elektrodu kladné napětí vůči katodě – viz Obr.1b). Zapojení vývodů na pouzdře tyristoru je na Obr. 1c).

Obr.1c Zapojení vývodů na pouzdře tyristoru

3.4. Tyristor, diak, triak, funkce, aplikace

Elektronické součástky, které se pod těmito názvy skrývají, byly vyvinuty ke spínacím účelům a používají se hlavně pro účely tzv. bezeztrátové regulace výkonu. Znáte jistě vypínače s kolečkem, kterým se může měnit intenzita světla spínané žárovky, vrtačky s regulací otáček, slyšeli jste o tom, že v tramvajích a elektrických lokomotivách se používá tyristorová regulace výkonu, že existují oblouková svářecí zařízení s tyristorovou regulací apod. Co to vůbec je bezeztrátová regulace? Vysvětleme si tento pojem na příkladu stmívače žárovky. Chceme-li, aby žárovka svítila méně, pak můžeme použít zdroje o nižším napětí; to však není případ, se kterým se setkáváme v praxi nejčastěji. Obvykle máme zdroj napětí, např. zásuvku, jehož napětí je konstantní. Pak máme možnost zapojit do serie se žárovkou odpor, na kterém se vytvoří spád napětí a o toto napětí bude napětí na žárovce nižší. Pak ale na odporu bude vznikat Jouleovo teplo U2/R, které je obvykle zbytečné a jen zvyšuje spotřebu energie (u starých tramvají se teplo vznikající zařazováním odporů před motor při rozjíždění využívalo k vytápění vozů). Vzpomenete-li si na definici efektivní hodnoty napětí jako odmocniny ze střední hodnoty kvadrátu napětí přes periodu, pak tuto efektivní hodnotu lze

Page 52: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

snížit i tak, že po určitou část periody necháme napětí na žárovce rovno nule a jen po zbytek periody jej k žárovce připojíme bez seriového odporu. Vzhledem k tepelné setrvačnosti vlákna svítí žárovka tak, jak to odpovídá střední hodnotě výkonu přes periodu a tak dosáhneme stejného účinku. (Ve skutečnosti zářivý výkon ze žárovky kolísá v rytmu jejího zapínání a vypínání a ”zařízením”, které středování provádí, je naše oko; podobně jako v kině při promítání filmu.) Seriový odpor spínače je přitom buď roven nekonečnu nebo nule podle toho, je-li spinač rozepnut nebo sepnut. Je-li rozepnut, je na něm výkon nulový protože jím prochází nulový proud (RI2), je-li sepnutý, je na něm výkon nulový protože je na něm nulové napětí (U2/R). Dosáhli jsme tedy snížení efektivní hodnoty napětí a přitom výkonová ztráta na regulačním prvku byla nulová - to je bezeztrátová regulace výkonu, v našem případě výkonu na žárovce.

Tak jako vždy, když řekneme příliš silný výrok, v našem případě bezeztrátová regulace, je realita daleko od pravdy; lépe by bylo říci regulace s mnohem menšími ztrátami ve srovnání s předřadným odporem. Kde jsou tedy ztráty výkonu u ”bezeztrátové” regulace? Předně žádný spinač nespíná ani nerozepíná za nulový čas. Znamená to, že spinač je po určitou dobu odporem reálné ne nulové ani ne nekonečné hodnoty a tedy se na něm ztrácí výkon úměrný době, po kterou v tomto stavu je. Za druhé, mění-li se rychle proud v obvodu, obsahuje jeho Fourierův rozvoj nenulové komponenty s velmi vysokými kmitočty, které se vodiči v obvodu vyzařují jako anténou. To jsou další ztráty výkonu a navíc vyzařování může způsobit vážné poruchy v příjmu rozhlasu a televize a v komunikacích. Zmenšení vyzařování lze provést jen na účet rychlosti spínání a to jde proti požadavku na rychlost spínačů. Prakticky lze říci, že polovodičové tyristorové nebo triakové spínače jsou tak rychlé, že se spínací a rozpínací hrany musí ”zpomalovat” pomocí dolnopropustných filtrů, které ”odříznou” vysokofrekvenční komponenty a omezí tak vyzařování na minimum.

Podívejme se nyní na základní spínací prvek a tím je tyristor. Je čtyřvrstvý spínací prvek, tj. prvek obsahující tři přechody PNPN. Můžeme si jej představit jako dva bipolární tranzistory, jeden PNP a druhý NPN, zapojené podle obrázku 3.34.

Page 53: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 3.34

Emitor tranzistoru PNP je přiložen na kladný pól zdroje napětí, emitor tranzistoru NPN na záporný pól, do řídicí elektrody G tyristoru nechť teče proud IG. Podle 1. Kirchhoffova zákona o proudech v uzlu musí platit

I2=IG+I1

a také, uvážíme-li, že I1 je kolektorový proud PNP tranzistoru a I2 kolektorový proud NPN tranzistoru (emitorový proud je I2), musí být I2=I1+I2 (zanedbávali jsme zbytkové proudy a IG vůči I1). Z těchto dvou rovnic pak máme pro I2 výraz

I2=-IG/(1-(+)).

Pokud je součet proudových zesílení + přibližně roven jedné, může být proud I2 velmi veliký i když proud řídicí elektrodou IG je velmi malý. Jako proud IG může fungovat i závěrný proud kolektorové diody PNP tranzistoru, který, jak víme, může při překročení mezního dovoleného kolektorového napětí vzrůst lavinovitým průrazem kolektorového přechodu. Jakmile je jednou tyristor ve vodivém stavu, zůstává ve vodivém stavu tak dlouho, dokud se proud I2 nesníží pod určitou hodnotu, neboť tranzistory se vzájemně podporují v otevřeném stavu - sepnutým tranzistorem NPN teče záporný proud do báze tranzistoru PNP a opačně sepnutým tranzistorem PNP teče proud do báze tranzistoru NPN. Rozpojíme-li obvod, vrátí se za určitou krátkou dobu (řádově 100 ns) tyristor do výchozího stavu, ze kterého jej můžeme opět sepnout. Totéž se stane, zmenšíme-li proud tyristorem ne úplně na nulu, ale pod hodnotu tzv. přídržného proudu IH, který je parametrem daného typu tyristoru. Funkci tyristoru bychom si mohli představit jako funkci stykače, který by měl jedno vinutí přídržné cívky zapojené do serie se spínaným hlavním obvodem a navíc by měla cívka stykače ještě jedno vinutí navíc vinuté tenkým drátem s mnoha závity. Stykač se sepne zavedením malého proudu do tohoto pomocného vinutí, a pak proud hlavním obvodem udržuje stykač sepnutý; zmenšíme-li tento proud pod určité minimum, pak kotva stykače odpadne a hlavní obvod se rozpojí. Analogie se stykačem pokulhává v rychlosti spínání; zatímco spínací doba tyristoru je v řádu stovek ns, u stykače jsou to desítky milisekund. Charakteristika tyristoru je uvedena na obrázku 3.35.

Page 54: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 3.35

Je zajímavá tím, že křivka charakteristiky není spojitá, ale vykazuje nespojitost, odpovídající zápornému diferenciálnímu odporu. Průběh charakteristiky pro nulový proud řídicí elektrodou lze popsat takto: zvyšujeme-li napětí na tyristoru, teče jím nejprve jen závěrný proud; koeficienty proudového zesílení a jsou malé a proto jmenovatel v naší rovnici pro I2 je jen o málo menší než 1. (Uvědomme si, že koeficient proudového zesílení tranzistoru není konstanta, závisí např. na emitorovém proudu; je-li emitorový proud malý je transport nosičů přes bázi tranzistoru řízen výlučně difuzí a rekombinace v bázi je veliká; zvětšíme-li proud emitoru, vytvoříme v blízkosti přechodu emitor-báze přebytek nosičů a tím vytvoříme i elektrické pole, které pomáhá přenosu nosičů přes bázi => rekombinace je menší a koeficient proudového zesílení bližší jedničce.) Zvyšováním napětí mezi anodou (emitor PNP tranzistoru) a katodou (emitor NPN tranzistoru) tyristoru se proud tyristorem mění jen velmi málo až dojdeme k napětí, kdy dochází k lavinovitému průrazu kolektorového přechodu tranzistoru PNP. Tím dojde ke zvýšení obou koeficientů proudového zesílení i a jmenovatel našeho výrazu se začne blížit nule za současného vzrůstu proudu IG (závěrný proud kolektorového přechodu I1 de facto reprezentuje proud IG). Tyristor se sepne a zůstane sepnutý, dokud I1=I2 neklesne pod hodnotu IH. Po dobu sepnutí je napětí na tyristoru velmi malé, řádově jeden až několik voltů podle velikosti procházejícího proudu; tyristor se chová jako malý odpor - to je část charakteristiky blíže k ose pořadnic, která rychle s napětím roste. Protože při sepnutí tyristoru roste proud tyristorem při současném snižování napětí na tyristoru, chová se tyristor v okamžiku sepnutí jako záporný odpor. Vzhledem k tomu, že lavinovitý průraz kolektorového přechodu tranzistoru PNP jenom přispěje k otevření tyristoru a tím napětí na tyristoru klesne, není tento průraz pro tyristor nijak nebezpečný.

Teče-li do řídicí elektrody tyristoru proud, je situace velmi obdobná, pouze není nutné dojít k lavinovitému průrazu kolektorového přechodu tranzistoru, neboť IG v našem vztahu není rovno nule a tím dojde k otevření tyristoru při nižším napětí než v předcházejícím případě. Nebo naopak, je-li na tyristoru napětí menší, než je napětí nutné pro sepnutí tyristoru s

Page 55: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

nulovým IG, můžeme tyristor sepnout krátkým proudovým impulsem do řídicí elektrody; to je nejběžnější způsob spínání tyristoru.

Tyristor může též sepnout při napětí podstatně nižším, než je spínací napětí s nulovým proudem IG tehdy, když napětí na tyristoru rychle roste. Tehdy se uplatňují kapacity přechodů a jako proud IG ”zafunguje” proud přes kapacitu přechodů, který sepne tyristor. Tento většinou parazitní efekt je možné odstranit pouze omezením rychlosti vzrůstu napětí na tyristoru; např. vhodným filtrem.

Jak již bylo řečeno, používá se tyristor pro bezeztrátovou regulaci výkonu. Jeho použití je zejména vhodné v obvodech střídavého napětí, neboť každý průchod napětí nulou automaticky vypne tyristor a ten čeká na další zapnutí. Jediné, co je zapotřebí k regulaci výkonu pomocí tyristoru, je zařízení, které ”vyrobí” spouštěcí puls do tyristoru ve vhodné fázi periody střídavého napětí. Nejjednodušší je použít pro řízení fáze jednoduchého RC členu s měnitelnou časovou konstantou RC například pomocí proměnného odporu, obrázek 3.36.

obr. 3.36

Je-li odpor nastaven na nulu, spíná se tyristor prakticky okamžitě po průchodu napětí nulou, je-li odpor nastaven na větší hodnotu, zpožďuje se napětí na kondenzátoru za napětím na tyristoru a ten zapne až za určitý čas po průchodu napětí nulou; výkon na zátěži bude v tomto případě menší.

Pomalu vzrůstající napětí na řídicí elektrodě tyristoru může vést k jeho zapínání v ne zcela přesně určený časový okamžik; proto je vhodné zařadit do obvodu ještě prvek, který změní pomalý průběh napětí na kondenzátoru ve strmý proudový impuls. Touto součástkou je diak (diac), který si můžeme představit jako tyristor s nevyvedenou řídicí elektrodou. Po dosažení určitého napětí mezi anodou a katodou spíná se tedy diak do malého odporu a proto je ideální spínací součástkou v obvodu řídicí elektrody tyristoru. Tak jako tyristor rozpíná se diak zmenšením proudu mezi anodou a katodou pod určitou hodnotu přídržného proudu. Diak je

Page 56: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

jednoduchá a spolehlivá součástka, kterou je vhodné ve spínacích obvodech tyristorů používat. Na obrázku 3.36 je proto diak již zakreslen.

Jistě jste si všimli, že tyristor nespíná v obou polaritách; rozlišuje se anoda a katoda tyristoru. Je-li na katodě tyristoru kladné a na anodě záporné napětí, teče tyristorem jen závěrný proud a nelze jej proudem do řídicí elektrody sepnout. Navíc vzhledem ke své složitější struktuře než obyčejná dioda, je náchylnější na průraz v závěrném směru a proto se doporučuje zapojit do serie s tyristorem jednu usměrňující diodu. Tím ovšem je maximální výkon omezen na polovinu možného výkonu. Odpomoc je možná dvojím způsobem: buď použijeme před tyristorem Graetzův usměrňovač, takže na tyristoru bude vždy jen napětí jedné polarity, nebo použijeme dva antiparalelně zapojené tyristory. V tomto případě se tyristory s výhodou spínají pomocí malých impulsních transfrmátorů, neboť k sepnutí tyristoru potřebujeme jen časově velmi krátký impuls, řádově s. Tyristory se vyrábějí pro napětí od stovek voltů do několika kV a pro proudy od jednotek A do několika kA. Je možné je použít i pro spínání stejnosměrných obvodů; pak je nutné se postarat o vypínání tyristoru speciálním obvodem, který, např. sepnutím kondenzátoru k anodě tyristoru na chvíli ”převezme” proud obvodem a tím proud tyristorem klesne pod hodnotu přídržného proudu IH. Pro obvody se stejnosměrným napětím je typické řízení výkonu impulsem stejné šíře a změnou frekvence (vzpomeňte si na tramvaje, při rozjezdu ”kňučí” na vyšším kmitočtu), pro obvody střídavého napětí, kde je kmitočet dán, mění se výkon změnou šířky aktivní části periody, tj. části periody, po kterou je zátěž připojena ke zdroji.

Pro relativně malé výkony, tj. pro napětí typická v rozvodné síti a proudy do několika ampér byly vyvinuty vícecrstvé prvky, které pracují stejně jako dva antiparalelně zapojené tyristory s tím rozdílem, že mají jen jednu řídicí elektrodu; říká se jim triak. Zatímco tyristory byly vyrobeny pro řízení výkonů až do řádu megawattů, triaky vzhledem ke své složitější struktuře a tím větší náchylnosti na průraz zůstávají doménou pro regulaci intenzity domácího osvětlení, otáček vrtaček, vysavačů a podobných nízkovýkonových elektrických spotřebičů; jejich výhoda tkví v jednoduchosti zapojení.

Pro fázové řízení triaků a tyristorů byly vyvinuty integrované obvody, které umožňují ”lineární” řízení fáze spouštění. V každé půlperiodě ”vyrobí” lineárně vzrůstající pilovité napětí a tyristor se sepne v okamžiku, kdy se toto napětí vyrovná konstantnímu napětí řízenému zvnějšku potenciometrem. Fáze sepnutí je tedy přímo úměrná úhlu otočení potenciometru (za předpokladu, že se jedná o potenciometr s lineárním průběhem odporu). Tyto integrované obvody jsou napájeny přímo ze sítě a tak pro konstrukci např. regulátoru otáček vysavače stačí triak, tento integrovaný obvod, potenciometr a několik málo dalších součástek.

Dříve, než opustíme tuto kapitolu o spínacích polovodičových prvcích je třeba si zdůraznit potřebu odrušení těchto regulátorů. Existuje řada amatérských konstrukcí těchto regulátorů, které sice bezchybně fungují, ale ”zamořují” ovzduší širokým spektrem vyzařovaných kmitočtů. Možná si vzpomínáte, že když měl soused špatně odrušený mixer nebo vysavač, pak, když tento spotřebič používal, nešlo se dívat na televizi nebo dokonce ani poslouchat radio. V tomto případě šlo o šíření těchto rušivých kmitočtů přímo po rozvodné síti, v případě špatně odrušeného např. zapalování u motorů, se jedná o přenos vzduchem. Z tohoto důvodu všechny spotřebiče, které mohou potenciálně vyzařovat energii, jsou podrobovány v rámci schvalování každým státem přísné kontrole na tak zvanou elektromagnetickou kompatibilitu, EMC (Electro-Magnetic-Compatibility). Jedná se jak o úroveň vyzařování, tak o citlivost na tyto rušivé vlivy; neradi bychom třeba letěli v letadle, jehož navigační systém by mohl být

Page 57: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

ovlivněn tím, že v blízkosti letiště jezdí tyristorově řízené tramvaje. EMC se stává čím dál víc součástí ekologického nahlížení na svět okolo nás a proto bychom měli i my přispět alespoň tím, že nebudeme neodrušené nebo špatně odrušené výrobky používat.

Princip televize a osciloskopu Jakým způsobem se vytváří obraz na televizní obrazovce? Jak je možné, že se "obrázky hýbou"? Jak může osciloskop zobrazit průběh přiloženého napětí?

Proč osciloskop zobrazuje napětí a ne proud? Základní schéma "vnitřku" televizoru či osciloskopu vypadá takto (obr. 1):

obr. 1: Základní schéma televize (ta má vychylovací cívky) či osciloskopu (ten má vychylovací destičky). Wehneltova trubice je uvnitř obrazovky (ta je značně protažená dozadu - na obrázku to není zakresleno), vychylovací destičky či cívky jsou nasazeny na obrazovku zvenčí.To, co vytváří obraz na obrazovce, jsou dopadající elektrony. Ty jsou vytvářeny ve Wehneltově válci (neboli Wehneltově trubice), svazek elektronů je pak v elektrickém poli vhodného tvaru zaostřen a v dalším elektrickém poli jsou elektrony urychlovány a vlétají mezi vychylovací cívky (destičky), kde mění svůj směr a dopadají na obrazovku, kde příslušný bod na chvilku zazáří.Teď se na to podívejme postupně podrobněji.

Urychlování elektronůPrincip je velmi jednoduchý: Elektron se nachází v elektrickém poli, kde na něj působí síla. Je přitahován ke kladné destičce a v prostoru mezi destičkami se pohybuje rovnoměrně rychleným pohybem (pole je

Page 58: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

homogenní, tudíž síla je konstantní). Mezi destičkami je napětí kolem 10 kV, které se vyrábí pomocí násobiče napětí ¤ .

Vychylovací destičkyPrincip je rovněž velmi jednoduchý: Elektron prolétává elektrickým polem, kde na něj působí síla. Do pole vlétá tak, že směr jeho rychlosti je kolmý na intenzitu el. pole. V prostoru mezi destičkami je přitahován ke kladné destičce a  jeho dráha je zakřivována. Po opuštění elektrického pole se opět pohybuje přímočaře. Na destičky se přivádí signál, který vstupuje do osciloskopu (napětí, jehož průběh chceme zobrazit).Vychylovací destičky se používají u osciloskopu. Jsou dvojí - jedny vychylují elektron ve  vertikálním směru (nahoru - dolů), druhé ve směru horizontálním (do stran). Úhel, o který mohou destičky vychýlit elektron, je poměrně malý. Proto je obrazovka osciloskopu malá a dlouhá.

Vychylování elektronů v televizní obrazovce

Vychylovací cívky jsou nasazeny na hrdle televizní obrazovky (obr. 1). Prochází jimi proud a v jejich okolí je tudíž magnetické pole. V tomto magnetickém poli působí na  letící elektron síla ¤ a mění směr jeho pohybu. Velikost změny je dána velikostí magnetického pole (a tedy velikostí elektrického proudu procházejícího cívkami). Proud ve vychylovacích cívkách tedy určuje, na které místo na obrazovce elektronový svazek dopadne.

obr. 1: Vychylovací cívky na hrdle televizní obrazovky (schematický pohled z boku)Běžný vychylovací úhel je v současné době 120° u černobílých obrazovek a 90° u barevných obrazovek.Na vychylovací cívky je přiváděn periodický signál, který určuje, do kterého místa na obrazovce elektronový svazek dopadne. Pak je potřeba ještě další signál, který určuje intenzitu elektronového svazku (a tím i jas příslušného obrazovkového bodu). Ten se přivádí mezi Wehneltův válec a katodu obrazovky.

Page 59: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

4.1. Integrovaný operační zesilovač

V rozsahu tohoto učebního textu (a požadavků na zkoušku z předmětu Elektronika) není možné probírat detailně jednotlivé typy zesilovačů. Spokojíme se s tím, že si popíšeme v současnosti nejpoužívanější zesilovač, a tím je operační zesilovač. V průběhu tohoto popisu si budeme muset vysvětlit jednotlivé součásti tohoto zesilovače a tím se dotkneme i pojmů jako je zpětná vazba, diferenciální zesilovač a výkonový zesilovač. Popis těchto pojmů však uvádím jen pro zvídavé posluchačky a posluchače a nebude požadován při zkoušce.

V současnosti je naprostá většina operačních zesilovačů vyráběna jako integrovaný obvod. Integrovaným obvodem rozumíme elektronické zapojení provádějící určitou funkci buď analogového (příkladem je právě operační zesilovač nebo jiný druh zesilovače, stabilizátor napětí, stereofonní dekodér, obvod pro detekci a zpracování barevného signálu v televizi apod.) nebo číslicového charakteru (mikroprocesor, paměti, registry apod.), které je umístěno na jediném čipu, tj. na jediné destičce křemíku. Rozlišujme právě definované integrované obvody a hybridní obvody, kde je v jednom pouzdře umístěno několik různých součástek a čipů, tj. hybridní obvody nejsou na jediném čipu (ale jsou také v jednom pouzdře). Typickým příkladem hybridního obvodu je operační zesilovač s přesně nastaveným zesílením, kde v jednom pouzdře je čip operačního zesilovače a dva přesné tenkovrstvé odpory a tyto tři součástky jsou vzájemně propojeny. Výhoda integrovaných obvodů tkví jednak v nesmírně

Page 60: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

efektivním využití plochy čipu (mikroprocesor Pentium obsahuje ekvivalent asi tří milionů tranzistorů na čipu s plochou několika cm2), jednak v tom, že všechny součástky stejného typu (např. všechny tranzistory MOSFET) jsou vyrobeny v jednom technologickém procesu a mají tedy prakticky shodné parametry. Výhodou je i to, že celý čip je prakticky na stejné teplotě a tedy teplotní drifty součástek je možné považovat za prakticky shodné (právě konstatovaný fakt však nemusí být vždy pravdou, zejména tehdy, jsou-li na jednom čipu umístěny i výkonové součástky; pak vznikají i v jediném čipu velmi strmé gradienty teploty).

Abychom měli představu alespoň o technologii výroby integrovaných obvodů, popíšeme si nyní standardní technologii výroby využívající teplotní difuze a fotolitografie. Říká se jí planární technologie, neboť vyrobené aktivní i pasivní prvky leží v rovině povrchu čipu.

5.1.1. Operační zesilovač

Operační zesilovač byl původně používán jako základní jednotka analogových počítačů, diferenciálních analyzátorů. V posledních letech s rozvojem hybridních a později monolitických integrovaných obvodů se stal operační zesilovač samostatnou jednotkou, elektronickým prvkem. Operační zesilovač používaný ve fyzikálním měření nemusí být ovšem pouze v monolitické formě, ale může být buď v hybridní formě nebo dokonce sestaven z diskrétních prvků.

Vedle použití operačních zesilovačů v analogových počítačích, kde byl hlavně používán pro základní aritmetické operace sečítání, odečítání, dělení a násobení a rovněž pro integraci analogových signálů, se dnes používá i v řadě elektronických obvodů jako jsou stejnosměrné i střídavé zesilovače, komparátory, elektronický vzorkovací obvod (vrátka, gate), klopné obvody, aktivní filtry, převodníky z analogového signálu na číselnou hodnotu a naopak.

V této kapitole vzhledem k všestrannému použití operačních zesilovačů budou podány jeho základní vlastnosti s ohledem na jeho možné fyzikální aplikace.

Operační zesilovač je v podstatě širokopásmový zesilovač se stejnosměrným vstupem, s velkým vstupním odporem Ri řádu stovky k až několika M , s malým výstupním odporem řádu 100 a velkým zesílením větším než 104.

Jeho schematická značka je na obr. 5.1.

 

obr. 5.1.

Operační zesilovač má dva vstupní obvody: invertující a neinvertující. Při zavedení signálu na invertující vstup se na výstupu operačního zesilovače objeví signál v opačné fázi, zatímco při

Page 61: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

přivedení signálu na neinvertující vstup je signál na vstupu a výstupu operačního zesilovače ve fázi.

5.1.2. Pojem ideálního operačního zesilovače

Pro další úvahy si pro jednoduchost zaveďme pojem ideálního operačního zesilovače, jehož parametry definujeme takto:

Zesílení zesilovače A a vstupní odpor Ri jsou nekonečně velké. Výstupní odpor Rv je nulový. Předpokládá se, že ideální operační zesilovač nemá ofset ani drift. Ofsetem rozumíme nenulový výstupní signál při zkratovaných a uzemněných vstupních svorkách a driftem změnu ofsetu s časem a teplotou. Rovněž vliv součtového signálu je nulový, tj. činitel potlačení součtového signálu H . Ideální operační zesilovač zesiluje rovněž rovnoměrně signály všech frekvencí včetně nulové; je to tedy stejnosměrně vázaný zesilovač. Všechny uvedené veličiny a pojmy budou probrány postupně v této kapitole; zde jsou uvedeny jedině z důvodů úplné definice ideálního operačního zesilovače.

Nejdříve si vybudujeme teorii ideálního operačního zesilovače a pak si ukážeme na některé odchylky, které jsou způsobeny odchylkami parametrů reálného operačního zesilovače od zesilovače ideálního. Jako zesilovač s velkým zesílením není operační zesilovač prakticky použitelný bez záporné zpětné vazby. Teorie ideálního operačního zesilovače je tak v podstatě teorií jeho zpětné vazby.

Zesilovač Jak zesílit proud nebo napětí?

Často je třeba zesílit nějaký elektrický signál a prvky k tomu určené - zesilovače - jsou součástí řady přístrojů. Každý se běžně setkává například s rádiem či televizí, do kterých vstupuje slabý signál z antény a uvnitř je zesilován. Elektronické prvky, které tvoří základ zesilovačů, jsou tranzistory. Postupně se podíváme na jednotlivé druhy.

Operační zesilovačKdyž chceme zesílit proud nebo napětí v obvodu, je možno použít bipolární tranzistor ¤ nebo unipolární tranzistor ¤ . Z nich se skládá složitější obvod rovněž používaný k zesílení - operační zesilovač. Operační zesilovač je zesilovač s velkým vstupním odporem ¤ Ri řádu stovky k až několika M , s malým výstupním odporem ¤ řádu 100 a velkým zesílením (tj. poměrem výstupního a vstupního napětí) větším než 104.

Page 62: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 1: schematická značka operačního zesilovačeOperační zesilovač má dva vstupní obvody: invertující ¤ a neinvertující ¤ . Při zavedení signálu na invertující vstup se na výstupu operačního zesilovače objeví signál v opačné fázi, zatímco při přivedení signálu na neinvertující vstup je signál na vstupu a výstupu operačního zesilovače ve fázi.Rozebereme si pouze ideální operační zesilovač, který bude mít následující parametry:zesílení A ... nekonečně velkévstupní odpor Ri ... nekonečně velkývýstupní odpor Rv ... nulovýIdeální operační zesilovač zesiluje rovnoměrně signály všech frekvencí včetně nulové. Probereme zapojení s invertujícím a neinvertujícím vstupem.      Stabilizátory jsou elektrické obvody, které dělíme na stabilizátory napětí a stabilizátory proudu. V dnešní době se v převážné většině používají stabilizátory zkonstruované na bázi integrovaných obvodů, které se blíží ideálním stabilizátorům.    Výstupní vlastnosti stabilizátoru jsou popsány výstupní charakteristikou.  

 

 Obr.  3.1  Výstupní charakteristika ideálního zdroje:  a) napětí  , b) proudu

     Na obr. 3.1 jsou nakresleny výstupní charakteristiky ideálního zdroje napětí a ideálního zdroje proudu. U ideálního zdroje napětí můžeme říct, že napětí zdroje zůstává konstantní při změnách  proudu  a  u  ideálního  zdroje  proudu,  zůstává   konstantní   proud   při   změnách   napětí.     U skutečného zdroje však musíme počítat se změnou svorkového napětí v závislosti na velikosti proudu způsobenou úbytkem napětí na vnitřním odporu zdroje. Stabilizátory  udržují  velikost  napětí  nebo  proudu  na  žádané  hodnotě  jen  v  určitém  rozsahu. I v tomto rozsahu se však napětí nebo proud velmi málo mění. Přesnost je dána typem a složitostí konstrukce stabilizátoru. Pro činnost stabilizátoru je nutné, aby energie na vstupu byla větší než na výstupu.        Vlastnosti stabilizátorů napětí popisují následující parametry:           a)      činitel stabilizace                  S = U1 / U2     při I2 = konst.           b)      diferenciální výstupní odpor                  rd = U2 / I2     při U1 = konst.  

          

Page 63: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

      Oba uvedené parametry jsou diferenciální, protože vyjadřují poměr změn veličin a správněji by měly  být  vyjádřeny ve formě  diferenciální. Při  jejich  určování  se  vychází  z   následujících  charakteristik:             a)      převodní charakteristika stabilizátoru                  U2 = f(U1)     při I2 = konst.            b)      výstupní charakteristika stabilizátoru                  U2 = f(I2)     při U1 = konst. 

  

Obr. 3.2 Náhradní schéma reálného zdroje napětí  

    Obdobně jako rd u stabilizátoru se často označuje diferenciální výstupní odpor reálného zdroje jako  jeho vnitřní odpor. Náhradní schéma reálného zdroje je na obr. 3.2  a velikost jeho vnitřního odporu Ri  se určí stejným způsobem jako rd  u stabilizátoru.           Elektrický výkon, který se ve stabilizátoru změní v teplo se nazývá ztrátový výkon. Jeho velikost lze vyjádřit vztahem:   Pz = U1 I1 – U2 I2.    Protože u většiny stabilizátorů je při jmenovitém zatížení I2 jen o málo menší než I1, lze psát

PZ  (U1 – U2) I1 (U1 – U2) I2

 Stabilizátor se Zenerovou diodou    Obvod pro měření zapojíme dle schématu zapojení – obr. 3.3, ve kterém doplníme parametry použitých prvků. Při měření používáme voltmetry s co největším vnitřním odporem, aby jimi procházející proud neovlivňoval měření. Výstupní napětí  U20  se přibližně rovná Zenerovu napětí použité diody. Na obr. 3.4 je nakreslena voltampérová charakteristika  Zenerovy diody. Zatěžovací přímka  p  protíná tuto charakteristiku v pracovním bodě  P,  jehož souřadnice na ose  x  je napětí U20.  Pracovní přímka  p  je dána rovnicí: 

     VUIRU ZDZD 11

  

 Obr. 3.3   Schéma zapojení stabilizátoru se Zenerovou diodou

 

Page 64: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

       Obr. 3.4  Voltampérová charakteristika                  Obr. 3.5  Výstupní charakteristika                                   Zenerovy diody                                          stabilizátoru  se Zenerovou diodou 

     Výstupní charakteristika stabilizátoru se Zenerovou diodou je na obr. 3.5 . Pracovní oblast stabilizace napětí leží leží mezi body A a B. Diferenciální výstupní odpor stabilizátoru se vypočte podle vztahu

rd = ∆ U2 / ∆ I2.

    Při zatěžování stabilizátoru se zvyšuje jeho ztrátový výkon. Ztrátový výkon je dán součtem ztrátového výkonu v rezistoru R1  a v Zenerově diodě  ZD, proto nesmí být překročen jak u rezistoru ,tak i u Zenerovy diody. Zenerova dioda je na tom nejhůře při režimu naprázdno, kdy její ztrátový výkon je: 

WIUP ZDZ 1020)(  

    Naopak ztrátový výkon rezistoru  R1  je největší při režimu nakrátko, kdy je 

  W

RU

P RZ1

21

)( 1

  

 Obr. 3.6 Převodní charakteristika stabilizátoru se Zenerovou diodou

     Podle těchto vztahů musí být voleny obě součástky tak, aby jejich dovolený ztrátový výkon byl větší než vypočtený.   Při měření převodní charakteristiky stabilizátoru nastavíme velikost zátěžného proudu dle tabulky  při vstupním napětí U1 = 20V. Měření budeme provádět při konstantním zatěžovacím odporu  RZ. Převodní charakteristika je zobrazena na obr. 3.6. Rozsah velikosti vstupního napětí  U1, při kterém je ještě stabilizátor schopen při daném zatížení dodržet s danou

Page 65: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

přesností velikost výstupního napětí  U2, nazýváme pracovní oblastí stabilizátoru. Na obr. 3.6 se nachází mezi body  C  a  D.   Integrované stabilizátory  MA7805    MA7824    Jsou dokonalejší než předchozí typy. Při přetížení stabilizátoru začne klesat jeho výstupní napětí a současně je omezován výstupní proud. Když výstupní svorky stabilizátoru zkratujeme, stabilizátor dodává zkratový proud  IZK . Tyto stabilizátory mají velmi dobrý činitel stabilizace. Integrované stabilizátory napětí řady MA78..  s jmenovitým výstupním proudem 1A se vyrábějí pro pevná napětí 5, 12, 15 a 24V. Poslední dvojčíslí v označení určuje velikost výstupního napětí, např. MA7805 má výstupní napětí 5V. V obvodu je integrována nejen nadproudová ochrana (proti zkratu), ale i tepelná pojistka proti přehřátí nadměrným ztrátovým výkonem. Stabilizátor s integrovaným obvodem MAA723     Stabilizátor s integrovaným obvodem MAA723 – obr. 3.7 má deset vývodů, ke kterým se připojují další součástky, které mimo jiné umožňují nastavit velikost výstupního napětí (potenciometrem P) a velikost výstupního proudu, při kterém začne pracovat proudová ochrana (volbou rezistoru R0).

  

 Obr. 3.7  Schéma zapojení stabilizátoru s integrovaným obvodem MAA 723

   

 Obr.3.8   Schéma zapojení integrovaného stabilizátoru  MA7812   

Page 66: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

 Obr. 3.9   Výstupní charakteristika integrovaného stabilizátoru  MA7812

Teoretický rozbor

Operační zesilovač (OZ) je jeden ze základních typů analogových integrovaných obvodů s mnoha výhodnými vlastnostmi. Jeho základní princip spočívá v uzavření velké hodnoty zisku otevřené smyčky A0 (řádově více než 1*105) pomocí zpětné vazby.

Frekvenční vlastnosti a kvalita regulačního procesu při impulzním přenosu závisí na tvaru frekvenční charakteristiky otevřené smyčky. Šířku přenášeného pásma ovlivňujeme hodnotou přenosu uzavřené smyčky OZ.

Operační zesilovače, jejichž sortiment je velmi rozsáhlý, můžeme třídit podle několika kritérií jako výrobní technologie, použitá obvodová technika a oblast určení. Nejdůležitější způsob třídění z praktického hlediska je třídění OZ podle oblasti určení. Rozeznáváme OZ pro tyto oblasti určení: univerzální, přístrojové, elektrometrické, izolační a rychlé.

Page 67: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Teoretický rozbor

Hradla AND a OR jsou základními stavebními prvky všech logických obvodů. Jejich použití je opravdu skoro všestranné, což lze například dokázat i jejich používáním v sekvenčních logických klopných obvodech typu D, T, RS i JK.

Celé hradlo vždy plní velmi jednoduchou logickou funkci (provede logický součin obou vstupních hodnot nebo jejich součet), což je zajištěno správným zapojením tranzistorů, rezistorů a diod.

Logické obvody

Základním stavebním prvkem číslicového počítače je logický obvod, tzv. hradlo. Logické obvody jsou vytvořeny pomocí vhodných fyzikálních prvků (relé, elektronka, tranzistor), umožňujících implementaci tzv. Booleovy algebry.

V této algebře mohou proměnné nabývat pouze dvě hodnoty – 1 (ano, pravda, true) nebo 0 (ne, lež, false). Logických operací je v booleově algebře definováno více, my však vystačíme se třemi - inverzí (NOT), logickým součtem (OR) a logickým součinem (AND). Inverze mění hodnotu proměnné na opačnou. Jestliže x=1, bude (NOT x)=0. Logický součet (x OR y)=1, jestliže x=1 nebo y=1 (včetně případu, kdy x=y=1). Logický součin (x AND y)=1 pouze když x=y=1. Platí tedy tabulka:

x y NOT x x OR y x AND y

0 0 1 0 0

1 0 0 1 0

0 1 1 1 0

1 1 0 1 1

Implementace Booleovy algebry elektronickými prvky je založena na dvouhodnotové (číslicové) interpretaci funkce prvku, který z fyzikálního hlediska pracuje spojitě (analogově), např. tranzistoru MOS:

Page 68: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Z charakteristiky na obrázku je vidět, že hodnotě logické nuly (úroveň L) a logické jedničky (úroveň H) jsou přiřazeny spojité intervaly hodnot vstupního a výstupního napětí (např. nule –1V až +1V, jedničce +2.5V až +5.5V). Při hodnotě vstupního napětí v intervalu L nebo H je výstupní napětí vždy v pásmu L nebo H (šedé čtverce). V našem případě plní obvod funkci invertoru, tj. vstupní úrovni L odpovídá výstupní úroveň H a vstupní úrovni H výstupní úroveň L. Pokud se vstupní napětí pohybuje v pásmu mezi oběma intervaly (+1V až +2.5V), není stav výstupu definován.

Podobně jako invertor lze realizovat další logické funkce. Jestliže např. do obvodu invertoru přidáme další tranzistor paralelně k prvnímu, získáme logické hradlo NOR. Na výstupu hradla NOR bude logická úroveň L, jestliže ne vstupu některého tranzistoru (nebo na více vstupech současně) bude logická úroveň H. Podobně sériovým zapojením tranzistorů získáme logický obvod NAND.

Page 69: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Realizace složitějších logických prvků

Při návrhu počítače se obvykle postupuje hierarchicky – z hradel se nejprve navrhnou složitější funkční bloky (klopné obvody, registry, sčítačky, komparátory, multiplexory, dekodéry) a z nich se pak navrhují jednotlivé části počítače. Dnes je nejen většina hradel, ale i celků vyšší úrovně integrována do integrovaných obvodů velmi vysoké integrace (VLSI – Very Large Scale Integration) a celý počítač se proto skládá z několika vzájemně propojených integrovaných obvodů (procesor, čipová sada, paměti), nebo je logika celého počítače (včetně paměti a obvodů pro připojení periferních zařízení) soustředěna v jediném integrovaném obvodu (mikropočítače).

Realizace aritmetických operací

Jedním z typických funkčních celků, sestavených z logických hradel, je sčítačka. Všimneme si zde sčítačky blíže, protože na ní lze demonstrovat princip realizace aritmetické funkce pomocí logických prvků.

Aritmetické výpočty lze v počítači provádět buď tak, že se dekadická čísla binárně zakódují (pro vyjádření jedné řádové číslice jsou potřebné minimálně 4 bity) a pak se výpočty provádějí dekadicky, nebo se čísla nejprve převedou do dvojkové číselné soustavy a výpočty se provádějí v této soustavě.

Dvojková soustava je (stejně jako běžně používaná dekadická soustava) polyadická a proto hodnotu čísla můžeme vyjádřit polynomem:

A = …+ anzn + an-1zn-1 +…+ a3z3 + a2z2 + a1z1 + a0z0 + a-1z-1 + a-2z-2 + …kde

z  je základ soustavy (např. v dekadické z = 10, binární z = 2, oktalové z = 8, hexadecimální z = 16)

a jsou řádové číslice, nabývající hodnot 0 až z-1.

Stejnou hodnotu můžeme tedy vyjádřit jako dekadické číslo 167 = 1*100+6*10+7*1, binární číslo 10100111 = 1*128+0*64+1*32+0*16+0*8+1*4+1*2+1*1 nebo hexadecimální číslo A7=10*16+7*1.

Při aritmetických operacích ve dvojkové soustavě může být v jednom řádu výsledku vždy pouze 0 nebo 1. Podobně hodnota přenosu z jednoho řádu do druhého (např. při sčítání) může být pouze 0 nebo 1. To je velmi výhodné, protože aritmetické operace lze realizovat logickými prvky.

Podívejme se nyní blíže na operaci sčítání dvou nezáporných celých čísel v binární soustavě. Čísla budeme sčítat řád po řádu, stejně jako to děláme v dekadické soustavě. Protože při sčítání musíme uvažovat přenosy, je nutné v každém řádu sčítat celkem 3 vstupy (obě řádové číslice a přenos) a generovat dva výstupy (řádovou číslici výsledku a přenos).

Stejně jako v dekadické soustavě součet řádových číslic 0 a 0 dá výsledek 0 a součet řádových číslic 0 a 1 výsledek 1. Dekadická dvojka však již je v binárním vyjádření dvojmístné číslo 10 a proto při sčítání řádových číslic 1 a 1 bude výsledek 0 a vznikne přenos do vyššího řádu, podobně jako když v desítkové soustavě sečítáme např. 9 a 1. Pokud by k součtu 1 a 1 bylo nutné přičíst i přenos z nižšího řádu, bude výsledek 1 a současně vznikne přenos do vyššího řádu (dekadicky 3 je binárně 11).

Page 70: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Například součet čísel 173 a 14 bude ve dvojkové soustavě vypadat takto:

Obecně pro sčítání ve dvojkové soustavě platí následující vztahy:

vstup přenosuCI

2. operandB

1.operandA

výstup přenosuCO

součetS

0 0 0 0 00 0 1 1 00 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 11 1 1 1 1

Příklad implementace jednobitové sčítačky s hradly NAND je na následujícím schématu. Na vstupy A a B sčítačky se přivádí řádové číslice sčítaných čísel, z výstupu S se odebírá řádová číslice součtu. CI je vstup pro přenos z nižšího řádu (Carry Input) a CO je přenos do vyššího řádu (Carry Output).

Intuitivně lze popsat funkci jednobitové sčítačky takto: součet S nabývá hodnoty 1 jestliže je na lichém počtu vstupů sčítačky hodnota 1; přenos CO nabývá hodnoty 1 jestliže je na dvou nebo více vstupech sčítačky hodnota 1.

Přesně lze funkci jednobitové sčítačky vyjádřit booleovskými rovnicemi:

S = A and B or A and CI or B and CICO = (A and not B or not A and B) and not CI or (A and B or not A and not B) and CI

přenosy

0

Page 71: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Sčítačka je základem aritmeticko-logické jednotky (ALU) počítače. Pro funkci odčítání stačí použít vhodné kódování záporných čísel (tzv. dvojkový doplněk) a odečítaný operand invertovat (tj. v odečítaném operandu nahradit všechny nuly jedničkami a jedničky nulami). Doplněním dalších logických obvodů lze dosáhnout toho, že aritmetická jednotka bude v závislosti na řídících signálech z řadiče (FUNKCE) provádět i další operace (inverzi a negaci, AND, OR, Exclusive OR, posuvy). Vstup přenosu je obvykle připojen na speciální stavový registr, obsahující informace o výsledku naposledy provedené operace. Podobně výstup přenosu se ukládá do tohoto registru společně s dalšími informacemi o výsledku (přenos, nulovost, zápornost, přetečení).

Složitější matematické operace (např. násobení, dělení, normalizace) se realizují sekvencemi primitivních operací ALU nebo speciálními jednotkami.

7.2.1. Základní pojmy

Objektů, které nabývají pouze dvou opačných stavů existuje v praxi celá řada a některé z nich byly vyjmenovány v předchozím odstavci.

Velice snadno si lze představit situaci, kdy rozhodování o další činnosti resp. stavu objektu závisí na stavech několika takových entit. Má-li tato další činnost resp. stav objektu rovněž charakter dvoustavové entity, pak se počet možných kombinací vstupních tj. nezávislých parametrů (kterých je při n vstupních parametrech 2n) musí nutně redukovat na 2 stavy výstupního objektu, například při m kombinacích nabude výstupní objekt jednoho stavu a při zbylých 2n - m stavu druhého. Potřebujeme proto určitý předpis, podle kterého bychom byli schopni přiřadit sobě odpovídající stavy vstupních proměnných a stav výstupního objektu. Takový předpis se nazývá logická funkce n proměnných. Proces rozhodování, tj. výběru odpovídajících si stavů nazýváme logickou operací a dvoustavové entity, se kterými pracujeme, logické proměnné. Hodnoty resp. stavy, které logické proměnné nabývají se označují zpravidla 1 a 0 (logická jednička a logická nula), případně H a L (high and low, zejména v popisech elektronických schémat s logickými obvody) nebo také T a F (true a false, zejména v počítačových programech).

FUNKCE

VÝSLEDEK

2.OPERAND1.OPERAND

STAVOVÝ REG.

CO, Z, N, V…

CI

ALU

Page 72: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Intuitivně lze tušit, že složitější logické funkce bude možné realizovat kombinací těch nejjednodušších, tj. těch, které používají pouze dvou vstupních logických proměnných. Z těchto logických funkcí byly zvoleny dvě, které se používají pro reprezentaci všech ostatních. Těmito logickými funkcemi jsou tzv. logický součet a logický součin. Logický součet reprezentuje rozhodování typu NEBO a logický součin rozhodování typu A . Pro případ dvou logických proměnných platí v případě NEBO následující pravdivostní tabulka:

 A B A + B0 0 00 1 11 0 11 1 1

Jak uvedeno v tabulce, užívá se pro označení logického součtu obvykle stejného symbolu jako pro součet algebraický. Lze se však setkat i s jinými symboly (například A  B atd.). Z tabulky je vidět, že pro to, aby výsledek logického součtu nabyl hodnoty 1 stačí, aby alespoň jedna z logických proměnných nabyla hodnoty 1. Mají-li např. dvě nebo více logických proměnných tvořících logický součet hodnotu 1, nemůže ovšem tento nabýti jiné hodnoty než 1, neboť výsledek logického součtu je rovněž dvoustavová proměnná.

Pro logický součin platí následující pravdivostní tabulka:

 A B A . B0 0 00 1 01 0 01 1 1

 

Pro logický součin budeme užívat označení A.B event. AB; jiné symboly např. A    B se užívají málo. Aby tedy výsledek logického součinu nabyl logické hodnoty 1, je nutné, aby všechny logické proměnné, tvořící tento součin nabyly hodnoty 1, jinak nabývá výsledek hodnoty 0.

Kromě těchto dvou operací pro logické funkce dvou proměnných je třeba ještě zavést logickou funkci jedné proměnné. Je výhodné zavést funkci negace, tj.funkci, která přiřazuje logické proměnné tu hodnotu, kterou nemá, tj. logické nule jedničku a naopak. Pro logickou proměnnou X je označení negace X.

V následujícím odstavci si dokážeme, že dvojstavové proměnné spolu s uvedenými operacemi tvoří tzv. Booleovu algebru.

.2.2. Booleovy algebry a jejich vlastnosti

Page 73: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

V předcházejícím odstavci jsme se zmínili, že množina dvojstavových proměnných spolu s operacemi logického součtu, součinu a negace tvoří tzv. Booleovu algebru. Pojem Booleovy algebry je však obecnější, takže námi uvedená množina je jen její speciální případ. Vyvinul se v návaznosti na analogii mezi množinovými operacemi sjednocení a průnik a aritmetickými operacemi sčítání a násobení. Rozsah a důležitost této analogie objasnil jako první britský matematik George Boole (1815-1864), který položil základy algebraické teorie množin před více než 100 lety.

Obecně je Booleova algebra definována takto:

Booleova algebra je množina B prvků a, b, c, ... s následujícími vlastnostmi:

a) B má dvě binární operace,  (průnik) a   ( sjednocení ), která jsou

idempotentní a a = a a = a

komutativní a b = b a , a b = b a

asociativní a (b c) = (a b) c

a (b c) = ( a b) c

b) tyto operace vyhovují zákonům absorpcea (b b) = a ( a b) = ac) obě operace jsou distributivnía ( b c) = ( a b ) ( a c )a ( b c) = ( a b) ( a c )d) obsahuje univerzální ohraničení 0 a 1 , která vyhovují vztahům0 a = 0 , 0 a = a , e) B má unární operaci tvoření komplementu s vlastnostmi:

a Dále lze z definice dokázat řadu vlastností Booleových algeber. Jsou to především zobecněné distributivní zákony:

pro x, a1, a2 , ...., an B

pro ai, bj , B; i = 1, 2, ...., n; j = 1, 2, ...., m, kde

Dále se dají dokázat zobecněné de Morganovy zákony

Page 74: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Pro další výklad budeme potřebovat následující větu. Každý Booleovský výraz (tj. výraz utvořený pomocí operací "  ", "  ", "  ", ve kterém se vyskytuje n prvků x1, .., xn se dá vyjádřit právě jedním způsobem jako sjednocení tzv. minimálních booleovských polynomů,

tj. výrazů tvaru , kde buď ai = Xi: nebo ai = . Tomuto tvaru Booleovského výrazů (nebo Booleovské funkce) se říká disjunktivní kanonický tvar. Minimálním booleovským polynomům se často říká mintermy (z anglického minimal polynomial term). Důkaz této věty není složitý, avšak vybočuje již z rámce těchto skript. Čtenář jej může najít v běžně dostupné literatuře.Dá se ukázat, že pro n proměnných X1, ..., Xn existuje 2n různých minimálních

polynomů X1 X2 ...Xn, 1X2... Xn, . Z těchto polynomů pak můžeme utvořit

celkem kombinací, což je také celkový počet různých booleovských funkcí n proměnných, protože podle právě uvedené věty je vyjádření v minimálních polynomech jednoznačné.Pro úplnost je třeba ještě uvést, že právě tak, jako pomocí minimálních polynomů, se dá každá Booleovská funkce vyjádřit jednoznačně jako průnik tzv. maximálních booleovských

polynomů (maxtermů), což jsou výrazy tvaru ,kde opět buď ai=Xi nebo ai = .Protože je však zřejmé, že lze pomocí de Morganových zákonů snadno převádět tvar mintermový na tvar maxtermový (vyjádříme-li nejprve inversi požadované funkce F v jednom tvaru a pak aplikujeme de Morganův zákon, abychom získali tj. F), nenachází maxtermový tvar tak široké využití jako mintermový.Z definice Booleovy algebry plyne, že množina dvoustavových (logických) proměnných tvoří Booleovu algebru. Logický součin je průnikem a logický součet sjednocením které jsou:

1. komutativní

(A + B) = (B + A)

(A . B) = (B . A)

2 .asociativní

A + B + C = A + (B + C) = (A + B) + C

A .B .C = A .(B .C) = (A .B) .C

3. distributivní

A .(B + C) = A .B + AC

A + (B .C) = (A + B) .(A + C)

Unární operace je tvoření inverze : A  vytvoří negovaný komplement logické proměnné.T a b u l k a 5.2

Page 75: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Funkce Název funkce Logický člen Algebraický výrazf0 konstanta   0f1 logický součet NEBO(OR,ODER) a + bf2 implikace  

f3 implikace  

f4 Shefferova funkce NANDf5 logický součin A ( AND,UND) abf6 inhibice  f7 inhibice  

f8 Pierceova funkce NOR

f9 identita   af10 identita   bf11 ekvivalence  

f12 neekvivalence Exclusive ORf13 negace NE (NOT,NICHT)f14 negace NE (NOT,NICHT)f15 konstanta   1

Pomocí základních operací logického součtu součinu a negace můžeme pro jednu logickou proměnnou vytvořit devět základních identit:

1. A =  identita invert

2. A. 1 = A

3. A. 0 = 0 identity logického součinu

4. A.A = A

5.

6. A+1 = 1

7. A+0 = A  identity logického součtu

8. A+A = A

9.

Dále v Booleově algebře logických proměnných můžeme de Morganovy teorémy vyjádřit pro dvě logické proměnné ve tvaru:

Page 76: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Uvedených vztahů a identit můžeme využít ke zjednodušení složitějších logických funkcí.Jak bylo uvedeno v obecné části z Booleovy algebry plyne, že dvěma logickými proměnnými lze realizovat celkem 24 = 16 funkcí, z nichž některým se dostalo zvláštního pojmenování. Přehled těchto funkcí je uveden v tabulce 5.2.Množina logických operací není ovšem jediná Booleovská algebra. Čtenář si může snadno ověřit, že například podmnožiny určité množiny M, ve které je definován průnik, sjednocení a tvoření komplementu způsobem běžným pro tyto množinové operace, tvoří rovněž Booleovu algebru.

 Systém DCTL Systémy MTL (I 2 L ) Systém RTL Systémy Schottky - TTL (STTL)Systémy DTL Systémy ECLSystémy TTL Systémy MOS/CMOS  Logická hradla s   třemi stavy

8Klopný obvod

K základním logickým prvkům se často řadí také klopný obvod, i když se vlastně jedná o funkční blok vytvořený z hradel. Důvodem je především to, že se jedná o elementární prvek s funkcí paměti, často však je důvodem i atypická vnitřní struktura, lišící se od běžných hradel. V praxi se rozlišuje řada typů klopných obvodů podle způsobu ovládání (např. RS, JK, D, latch). Základním typem, ze kterého jsou ostatní typy odvozeny, je klopný obvod RS. Svůj název získal podle ovládacích signálů nulování (R, Reset) a nastavení (S, Set). Jeho funkci lze nejlépe pochopit na mechanickém modelu.

Jestliže těleso znázorněné na obrázku postavíme břitem na rovnou podložku, překlopí se vždy do jednoho ze stabilních stavů, s těžištěm vlevo nebo vpravo od roviny, procházející svisle břitem (předpokládáme samozřejmě prostředí, ve kterém působí gravitace). Budeme-li na těleso s  těžištěm v bodě T0 tlačit v místě označeném SET, bude se těžiště přibližovat k rovině procházející břitem. Jakmile se těžiště dostane za tuto rovinu, těleso samo spadne - překlopí se - do druhé stabilní polohy s těžištěm v bodě T1. Podobně tlakem v místě označeném RESET se těleso překlopí zpátky do původní polohy. Informační význam stavů závisí pouze na dohodě. Je jedno, zda stavu 0 přiřadíme polohu těžiště vlevo nebo vpravo. Podstatné je, že oba stavy jsou rozlišitelné a dostatečně stabilní.

Page 77: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

V elektronické verzi lze klopný obvod vytvořit buď jako zvláštní kombinaci aktivních prvků (první realizace s elektronkami Eccles a Jordan, 1919), nebo vhodným propojením základních logických prvků -hradel. Na obrázku je schéma klopného obvodu RS, vytvořeného ze dvou hradel NOR.

Page 78: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Stejně jako mechanický model má také elektronický klopný obvod dva stabilní stavy. Jestliže je na obou vstupech R a S logická úroveň 0, udržuje se obvod v jednom ze dvou možných stavů vnitřní kladnou zpětnou vazbou. Pokud je např. na výstupu hradla H0 logická úroveň 0 (stav Q=0), je na obou vstupech hradla H1logická úroveň 0 a na jeho výstupu je proto logická úroveň 1. Tento signál je přiveden zpět na vstup hradla H0 a udržuje jeho výstup na logické úrovni 0. Přivedeme-li logickou úroveň 1 na vstup R, stav klopného obvodu se nezmění. Přivedeme-li však logickou úroveň 1 na vstup S, objeví se na výstupu hradla H1 logická úroveň 0 a na výstupu hradla H0 logická úroveň 1 – klopný obvod se překlopí do stavu Q=1. Podobně přivedením signálu R=1 se klopný obvod překlopí zpět do stavu Q=0.

Všimněte si ještě posledních dvou řádků pravdivostní tabulky. Jestliže na oba vstupy R, S přivedeme logickou úroveň 1, objeví se na výstupech obou hradel logická úroveň 0, zpětnovazební smyčka se přeruší a stav klopného obvodu není definován. Proto je tato kombinace vstupních signálů nepřípustná. U mechanického modelu klopného obvodu je tato situace analogií tlaku na obě ramena tělesa současně.

Podobná situace nastává po připojení napájecího napětí, kdy vlivem nejrůznějších fyzikálních vlivů (šum, rušení) může klopný obvod přejít do kteréhokoliv z obou stabilních stavů. Aby se systém používající klopné obvody dal uvést do definovaného stavu, jsou všechny důležité klopné obvody a registry vybaveny zvláštním vstupem pro nulování – reset. Odtud je odvozen také název tlačítka RESET, které často naleznete na počítačích a periferních zařízeních. Signál pro nulování se obvykle automaticky generuje také při zapnutí napájení, takže počítač stačí prostě zapnout.

Page 79: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Polovodičové paměti.

Podle použité technologie dělíme polovodičové paměti na bipolární a unipolární.

Bipolárními technologiemi používanými pro výrobu pamětí jsou technologie TTL (Tranzistor-Tranzistor Logic) ve všech odvozených variantách (např. S-TTL, LS TTL), IIL (Integrated Injection Logic) a ECL (Emitter Coupled Logic). Bipolární technologie používají bipolární tranzistory, u kterých se proud protékající tranzistorem ovládá mnohem menším proudem řídící elektrody B (Base). Vyznačují se vyšší rychlostí, ale také vyšší spotřebou. Používají se proto pro výrobu velmi rychlých pamětí RAM a rychlých programovatelných pamětí PROM.

Unipolárními technologiemi používanými pro výrobu pamětí jsou PMOS (P-channel MOS), NMOS(N-channel MOS) a CMOS (Complementary MOS). Unipolární technologie používají unipolární tranzistory MOS, u kterých se proud protékající tranzistorem ovládá napětím na řídící elektrodě. Důsledkem napěťového řízení je mnohem menší spotřeba, zejména v klidovém stavu. Používají se proto pro výrobu statických pamětí RAM, dynamických pamětí RAM, maskou programovatelných pevných pamětí ROM a vícenásobně programovatelných pamětí RMM. Převládající unipolární technologií je dnes CMOS.

Page 80: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Kromě pamětí s náhodným přístupem (RAM, ROM) se používají také polovodičové paměti se sekvenčním přístupem. Jedná se o posuvné registry (Shift Register), vyrovnávací paměti FIFO (First In, First Out) a obvody CCD (Charge Coupled Devices). Obvody CCD jsou např. základem senzorů pro snímání obrazu, používaných ve videokamerách a skenerech.

Vzhledem k naprosté převaze unipolárních pamětí se nyní podíváme na tyto paměti podrobněji. Rozdělíme si je na čtyři skupiny – statické paměti SRAM, dynamické paměti DRAM, maskou programované paměti ROM a vícenásobně programovatelné pevné paměti RMM.

Unipolární statické paměti (SRAM) používají paměťové buňky s klopným obvodem, unipolární dynamické paměti (DRAM) zvláštní paměťovou buňku, ve které je informace uložena ve formě náboje na parazitní kapacitě řídící elektrody transistoru MOS.

Protože plocha paměťové buňky statické paměti je podstatně větší než plocha buňky dynamické paměti a primárním požadavkem je rychlost, dosahuje se u statických pamětí kapacity řádově 1 Mbit v jednom pouzdře. Přístupová doba unipolárních statických pamětí již klesla pod 10ns. Používají se především pro externí vyrovnávací paměti (cache) a některé speciální aplikace (např. v obvodech pro zpracování obrazu).

U dynamických paměti se dnes již dosahuje kapacity desítek Mbit v jednom pouzdře při přístupové době cca 70ns. Protože parazitní kapacita hradla v buňce dynamické paměti je poměrně malá, je doba uchování náboje relativně krátká (stovky milisekund) a náboj na elektrodě se proto musí periodicky obnovovat (refresh). Aby obnovování nezabralo příliš mnoho času, jsou paměti pro tuto operaci vybaveny speciálními obvody, které obnovují informaci vždy v celé skupině paměťových buněk najednou.

Společnou nevýhodou všech polovodičových pamětí RAM je ztráta obsahu paměti při odpojení napájení – říkáme, že jsou energeticky závislé (volatile, nestálé). Tento problém lze při použití pamětí CMOS obejít napájením ze zálohovací baterie, protože paměti CMOS mají v době nečinnosti minimální spotřebu a baterie nemusí dodávat velký výkon.

Dynamické paměti RAM jsou navíc citlivé na průlet částic Alfa oblastí řídící elektrody (zdrojem částic je přirozená radioaktivita materiálu pouzdra a kosmické záření). Alfa-částice při průletu polovodičem vytvoří na krátkou dobu ionizovanou dráhu, která může způsobit vybití náboje a tím náhodnou chybu paměti. Tomuto typu chyb lze úspěšně čelit použitím pamětí ECC se samoopravným kódem (Error Check and Correction).

Unipolární maskou programované paměti (ROM) se obvykle vyrábějí rovněž technologií CMOS. Paměťovým elementem je u těchto pamětí tranzistor, jehož hradlo je připojeno na jeden z napájecích vodičů. Používají se pro různé specifické funkce (generátor znaků, generátor funkcí sin, cos a pod.) nebo jako zákaznické obvody s obsahem paměti definovaným zákazníkem.

U unipolárních vícenásobně programovatelných pevných pamětí (RMM) se používá celé spektrum technologií. Paměťovým elementem je obvykle transistor MOS, jehož řídící elektroda je

Page 81: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

ponořena v ostrůvku kysličníku křemíku (tzv. plovoucí hradlo – Floating Gate). Řídící elektroda je kysličníkem křemíku dokonale izolována od okolí a proto je schopna udržet elektrický náboj po dobu několika let.

Page 82: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Řez elementem paměti EPROM je na následujícím obrázku.

Náboj na řídící elektrodu se při programování dostane zvýšením napětí na tranzistoru nad průrazné napětí izolační vrstvy mezi elektrodou a kanálem tranzistoru. Průraz izolační vrstvy však nesmí být příliš silný a musí trvat krátce, aby nedošlo k trvalému poškození izolace. Toho lze dosáhnout jen velmi obtížně, a proto mají tyto paměti garantován pouze omezený počet zápisových cyklů (např. 1000 nebo 10.000). Do programovatelných pamětí tohoto typu lze zapisovat pouze jednu logickou úroveň (obvykle nulu). Proto je zpravidla nutné paměť před programováním nejprve vymazat, tj. nastavit do všech paměťových prvků opačnou (neprogramovatelnou) logickou úroveň.

Historicky nejstarším typem pamětí RMM jsou paměti EPROM (Electrically Programmable ROM), které lze smazat ozářením obvodu ultrafialovým světlem (mají v pouzdře malé okénko z křemičitého skla). Při ozáření se ionizací dočasně sníží izolační odpor kysličníku křemíku a náboje na hradlech všech tranzistorů se vybijí. Někdy se tyto paměti dodávají také v normálních pouzdrech – takové paměti lze naprogramovat pouze jednou a označují se proto obvykle zkratkou OTP (One Time Programmable).

Technologie EEPROM (Electrically Erasable PROM) umožnila mazání obsahu paměti pouhým přivedením mazacího elektrického impulzu. To je velká výhoda, protože při vhodném zapojení je možné paměti mazat a programovat přímo v zařízení, ve kterém jsou použity (In Circuit Programming). Obvykle pro daný účel použití postačí mazání celé paměti nebo její části (stránky), jak tomu je u pamětí FLASH, existují však i paměti EAROM (Electrically Alterable ROM), u kterých lze mazat jednotlivá paměťová místa. Taková paměť se od paměti RAM liší jen dobou zápisu (u  paměti EAROM trvá mnohem déle) a omezeným počtem zápisů.

U dynamických pamětí RAM je životnost náboje poměrně krátká a obvody pro obnovení jsou proto součástí pamětí. Často se však zapomíná, že i paměti EPROM a EEPROM, kde je životnost náboje řádově 10 let a obvody pro obnovení obsahu obvykle nejsou implementovány, mohou vyžadovat obnovení. Pokud se u technického zařízení používajícího tyto paměti předpokládá dlouhodobé používání, mělo by být obnovení obsahu pamětí po určité době (např. po 5 letech) součástí údržby zařízení.

Page 83: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Svítivá dioda - LED Jakým způsobem fungují různé displeje, světelné tabule na nádražích,

ukazatele konečné stanice na autobusech apod?

Princip:

Svítivá dioda neboli LED (z anglického light emitting diode) je polovodičová dioda ¤ , která při průchodu proudu v propustném směru svítí.

obr. 1: Schematická značka LED Když diodou prochází proud, dochází na PN přechodu k rekombinaci elektronů a děr. Přitom se uvolňuje energie, která je přibližně rovna šířce zakázaného pásu ¤ . Tato energie se může vyzářit ve formě fotonu nebo být absorbována v krystalové mříži,  což se projeví zvýšenou teplotou polovodiče. Pravděpodobnost zářivé rekombinace (s fotonem) roste se zvětšující se šířkou zakázaného pásu. U křemíku se šířkou zakázaného pásu 1.1 eV je uvolňovaná energie převážně absorbována v krystalu, ze kterého je tepelnou výměnou odváděna do okolí. U diody z galium-arsenidu (GaAs) se šířkou zakázaného pásu 1.34 eV bude již nezanedbatelná část energie uvolněné při rekombinaci vyzařována ve formě fotonů o příslušné vlnové délce, která však ještě spadá do oblasti neviditelného infračerveného záření. Kombinace tohoto materiálu s fosforem, tzv. galium arsenid fosfid (GaAsP), již při rekombinaci vyzařuje červené viditelné záření. Použijeme-li materiál o vhodné šířce zakázaného pásu, můžeme vytvořit diody svítící světlem zeleným, žlutým nebo oranžovým. 

Zapojení:

Svítivou diodu je nutno vždy zapojovat do série s rezistorem (ochranný rezistor), který omezuje maximální proud procházející diodou.

Napětí na diodě v propustném směru, Ud, je úměrné šířce zakázaného pásu; bylo-li u křemíku se šířkou zakázaného pásu 1.1 eV 0.6 V, bude u materiálu se šířkou zakázaného pásu 2 eV cca o 0.9 voltu vyšší, tedy 1.5 voltu. K napětí Ud je třeba připočíst ohmický úbytek na diodě, takže není výjimkou, když bude na svítivé diodě napětí cca 2 V i vyšší. 

Page 84: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Proud diodou na dosažení vhodné intenzity světla je třeba vyčíst z katalogu; řádově se jedná o proudy 10-20 mA i více. Při použití LED k indikaci střídavého napětí musíme mít na paměti, že maximální povolené závěrné napětí těchto diod bývá malé a tak se doporučuje do serie s LED zapojit obyčejnou usměrňovací diodu. 

VA charakteristika:

Je velmi podobná charakteristice obyčejné usměrňovací diody ¤ , je vidět vyšší prahové napětí (citlivost v horizontálním směru byla 0,5 V na dílek).

obr. 1: VA charakteristika LED (osa napětí směřuje zprava doleva)

Použití:

1. Jako zdroj světla: malé baterky, blikačky na kola,...2. Indikace zapnutí přístroje3. Informační panely: sedmisegmentové a maticové displeje, např. u

Page 85: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

tramvají, metra, ...(viz foto.)

  

Pokus:  

Zdá se, že světelná dioda svítí monochromatickým (jednobarevným) světlem, tj. její světlo má jen jednu vlnovou délku. NENÍ TO PRAVDA. Přesvědčete se o tom rozkladem na CD. Sviťte LED na lesklou stranu cédéčka a sledujte odraz na ploše cédéčka. Vyzkoušejte různé barvy diod.Otázka: Proč se na lesklé straně CD světlo rozkládá na jednotlivé složky? (Víte, že když na CD dopadá bílé světlo, vidíte "duhu").

Zkuste si...

1. Změřit závislost proudu protékajícího LED na napětí na ní (VA charakteristika LED) pro různé barvy LED.2. Při jakém napětí na LED a procházejícím proudu začíná dioda svítit? Jak se mění svit diody se změnou proudu?

Laserová tiskárnaLaserová tiskárna je zařízení určené zejména pro profesionální použití. Poskytuje velmi vysokou kvalitu (300 dpi - 1200 dpi) i rychlost tisku (desítky stránek za minutu). Jedná se o poměrně drahé zařízení - ale cena za vytištěnou stránku bývá většinou nižší než u inkoustových tiskáren.

Princip tisku laserové tiskárny Při tisku laserové tiskárny jsou nejdříve znaková data zasílaná počítačem převáděna řadičem na videodata. Ta jsou zasílána na vstup polovodičovému laseru. Polovodičový laser vysílá laserový paprsek, který je vychylován soustavou zrcadel na rotující válec. V místech, kam tento paprsek na válec dopadne, dojde k jeho nabití statickou elektřinou na potenciál řádově 1000 V. Rotující válec dále prochází kolem kazety s barvícím práškem (tonerem), který je vlivem statické elektřiny přitažen k nabitým místům na povrchu válce. Papír, který vstoupí do tiskárny ze

Page 86: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

vstupního podavače, je nejdříve nabit statickou elektřinou na potenciál vyšší než jsou nabitá místa na válci (cca 2000 V). V okamžiku, kdy tento papír prochází kolem válce, dojde k přitažení toneru z nabitých míst válce na papír. Toner je do papíru dále zažehlen a celý papír je na závěr zbaven elektrostatického náboje a umístěn na výstupní zásobník. Rotující válec po otištění na papír prochází dále kolem sběrače elektrostatického náboje a čističe od toneru.

3.2.4. Světlo emitující dioda, LED (light emitting diode)

Fyzikální princip světlo emitující diody je založen na již použitém pojmu rekombinace. Rekombinuje-li elektron s dírou, odevzdává energii zhruba rovnou šířce zakázaného pásu. Injekcí majoritních nosičů do polovodiče opačné vodivosti při přiložení napětí na PN přechod v propustném směru se zvýší pravděpodobnost rekombinace a často k ní dochází. Při rekombinaci každého páru elektron-díra se uvolní určité kvantum energie, které se může buď vyzářit mimo krystal nebo být absorbováno v mříži, což se projeví zvýšenou teplotou krystalu. Pravděpodobnost zářivé rekombinace roste se zvětšující se šířkou zakázaného pásu. U křemíku se šířkou zakázaného pásu 1.1 eV je uvolňovaná energie převážně absorbována v krystalu, ze kterého je odváděna přes pouzdro diody do okolního prostředí většinou vedením nebo prouděním. Vyrobíme-li diodu z galium-arsenidu, GaAs, který má šířku zakázaného pásu 1.34 eV, bude již nezanedbatelná část energie rekombinace vyzařována ve formě fotonů o příslušné vlnové délce, která však ještě spadá do oblasti neviditelného infračerveného záření. Kombinací tohoto materiálu s fosforem, tzv. galium arsenid fosfid, GaAsP, získáme již materiál, který , je-li z něj vytvořen PN přechod, vyzařuje červené viditelné záření. Použijeme-li materiál o vhodné šířce zakázaného pásu, můžeme vytvořit diody svítící v propustném směru světlem zeleným, žlutým nebo oranžovým. Při aplikaci svítivých diod tedy stačí zapojit diodu v propustném směru přes vhodný odpor na zdroj napětí. Při výpočtu odporu musíme mít na paměti, že napětí na diodě v propustném směru, Ud, je úměrné šířce zakázaného pásu; bylo-li u křemíku se šířkou zakázaného pásu 1.1 eV 0.6 V, bude u materiálu se šířkou zakázaného pásu 2 eV cca o 0.9 voltu vyšší, tedy 1.5 voltu. K napětí Ud je třeba připočíst ohmický úbytek na diodě, takže není výjimkou, když bude na svítivé diodě napětí cca 2 V i vyšší. Proud diodou na dosažení vhodné intenzity světla je třeba vyčíst z katalogu; řádově se jedná o proudy 10-20 mA i více. Při použití LED k indikaci střídavého napětí musíme mít na paměti, že maximální povolené závěrné napětí těchto diod bývá malé a tak se doporučuje do serie s LED zapojit obyčejnou usměrňovací diodu; blikání diody v rytmu 50 Hz lze částečně odstranit elektrolytickým kondenzátorem připojeným paralelně ke kombinaci dioda-odpor. Světlo emitující diody se používají k indikačním účelům a to nejenom samostatně (nahrazení nespolehlivých žárovek) ale i v zobrazovačích informace (sedmisegmentový nebo maticový zobrazovač).

Page 87: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Fotodioda

Jak získat elektrickou energii ze Slunce? Co to je solární panel?

Princip:

Fotodioda je polovodičová dioda ¤ , která je citlivá na osvětlení PN přechodu světlem určité vlnové délky.

obr. 1: Schematická značka fotodiody

obr. 2: Fotodioda (šířka součástky je asi 5 mm)

Není-li dioda zapojena do obvodu, je PN přechod prakticky bez volných nábojů (obr.2)

obr. 2: PN přechod v rovnovážném stavuKdyž přechod osvětlíme světlem vhodné vlnové délky (tj. takové, aby energie fotonů byla větší než šířka zakázaného pásu ¤ použitého polovodiče), přecházejí elektrony do vodivostního pásu, vznikají díry a v elektrickém poli Ed se přemísťují na příslušnou stranu. Tím ovšem vzniká nové elektrické pole E, které je však (na rozdíl od pole Ed, které je způsobeno ionty donorů a akceptorů, tj. nepohyblivými částicemi) způsobeno elektrony a dírami, tj. pohyblivými částicemi s nábojem (obr 3).

Page 88: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 3: Stav fotodiody při osvětlení

Použití:

1. Fotodioda zapojená jako hradlováNa PN přechodu fotodiody je elektrické pole způsobené pohyblivými částicemi s nábojem. Spojíme-li konce fotodiody přes rezistor (obr. 4), začne rezistorem protékat proud tvořený těmito volnými částicemi. Na PN přechodu (je-li stále osvětlen) se přitom generují stále další a další páry elektron-díra a fotodioda se tedy chová jako zdroj stejnosměrného napětí. Velikost napětí je asi 0,5 V na jeden článek (jednu fotodiodu). Fotodioda v tomto zapojení se často nazývá sluneční (solární) článek.

obr. 4: Fotodioda zapojená jako hradlová

Page 89: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 5: Ampérmetr připojený do zkratu ke špatně osvětlenému solárnímu panelu. Jak se změní proud při lepším osvětlení článku se podívejte na VIDEO ¤ (formát *.avi 1653kB, ev. formát *.rm 289kB ¤ ) Zde ¤ je tentýž pokus s použitím jedné fotodiody (formát *.avi 1331kB, ev. formát *.rm 240kB ¤ )  Detailně se na strukturu solárního panelu můžete podívat zde ¤ . Použití fotodiody jako zdroje napětí:a) Napájení malých spotřebičů - například kalkulačkyb) Výroba elektrické energie pro domácnost (solární panely na střeše rodinného domku) nebo pro obecnou spotřebu (sluneční elektrárny) - obr. 6c) Zdroj napájení družic ve vesmíruÚčinnost vyráběných solárních článků je asi 10-14 %. Pro představu, na 1 m2 plochy situované kolmo ke Slunci dopadá v našich zeměpisných šířkách za jasného letního slunečného dne výkon asi 1 kW (tzv. sluneční konstanta). Energie získaná z 1 m2 plochy tedy teoreticky stačí na napájení deseti stowattových žárovek. Obsáhlý článek o historii využívání sluneční energie je zde ¤ , článek o možnostech jejího využití v České Republice zde ¤ .

obr. 6: Baterie slunečních článků2. Fotodioda zapojená jako odporováPoužívá se stejně a ve stejném zapojení jako fotorezistor ¤ . Je součástí optoelektronických členů, které převádí osvětlení na elektrické napětí, nebo zabezpečovacích zařízení ¤ .

Page 90: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Fotorezistor Jak funguje fotobuňka? Jak udělat spolehlivé zabezpečovací zařízení? Co obsahují snímače čárového kódu?

Jak pracuje expozimetr?

Princip:

Fotorezistor je polovodičová součástka (kus polovodiče), jejíž odpor závisí na osvětlení. Světlo (fotony) dodává energii elektronům ve valenčním pásu ¤, které tak mohou překonat zakázaný pás a stát se volnými.Pokus: Osvětlujme fotorezistor zapojený v obvodu dle obr. 1 a sledujme změny proudu protékajícího obvodem.

obr. 1Na pokus se můžete podívat na VIDEO ¤ (formát *.rm 313kB, ev. formát *.avi ¤ 1903kB).Rozbor výsledků pokusu a vysvětlení ¤

obr. 2: Schematická značka fotorezistoru

VA charakteristika:

Page 91: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

obr. 3: Obecná VA charakteristika fotorezistoru

obr. 4: Obecná závislost odporu R fotorezistoru na osvětlení E

Jak se mění  VA charakteristika fotorezistoru s osvětlením se můžete podívat na VIDEO ¤ (formát *.rm 437kB, ev. formát *.avi ¤ 2565kB).Technická data fotorezistorů najdete na stránkách výrobce - Tesla Blatná, a. s. ¤

Využití fotorezistoru:

1. Měření osvětlení - expozimetr ¤ (např. ve fotografických přístrojích)2. Ovládání přístrojů - fotobuňka ¤ - otvírání dveří, zapínání zařízení...3. Zabezpečovací zařízení - světelná závora ¤ - proti krádeži, bezpečnostní pojistka pro vypínání přístrojů, ...4. Detekce neviditelného infračerveného záření - nutno používat materiály s menší šířkou zakázaného pásu, například InSb. Toto se opět používá v zabezpečovacích zařízeních ¤ (paprsek není vidět).5. Převodník ze světla na elektrické napětí.

obr. 5: Fotografie fotorezistoru (skutečný průměr je asi 1 cm)

Fototranzistor

Stačí tranzistoru dvě "nožičky"?

Princip:

Fototranzistor je bipolární tranzistor ¤ , který nemá vyvedený kontakt k bázi, ale má na přechodu báze-emitor průhledné okénko. Tento přechod

Page 92: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

funguje jako fotodioda. Když je osvětlen, vytvářejí se na něm páry elektron - díra. Elektrony se v elektrickém poli pohybují do báze. Další princip je zcela stejný jako u obyčejného tranzistoru ¤ .

obr. 1: Schematická značka fototranzistoru

Použití:

Podobně jako fotorezistor ¤ a fotodioda ¤ . Navíc proud v řízeném obvodu zesilují jako běžný tranzistor ¤ .

Page 93: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

12+13

obvody CCD (Charge Coupled Devices). Obvody CCD jsou např. základem senzorů pro snímání obrazu, používaných ve videokamerách a skenerech.

Při videomikroskopii je optický obraz vytvořený mikroskopem převeden videokamerou na elektrický videosignál (běžně v systému VHS - Video Home System). Zpravidla se využívají videokamery obsahující optoelektronický měnič typu CCD (Charge Coupled Devices), což je v podstatě unipolární integrovaný obvod tvořící matici ortogonálně uspořádaných miniaturních fotometrů, na kterou se promítá obraz. Každý z nich vlastně představuje jeden obrazový element - pixel (picture element) o rozměrech několika desítek až stovek čtverečných mikrometrů a jejich celkový počet na jednom čipu se pohybuje běžně od cca 300.000 (512 x 582) do několika milionů. Oproti vakuovým snímacím elektronkám mají CCD snímače malé rozměry (úhlopříčka cca 5 až 11 mm), vyšší citlivost i dynamický rozsah, jsou lineární, mají širší spektrální rozsah, minimální geomterické zkreslení obrazu a jsou relativně levné. Nejkvalitnější barevné videokamery obsahují 3 CCD čipy, každý pro jednu ze základních TV barev (RGB). Obraz má potom podstatně vyšší ostrost a věrnější podání barev.

Kvalitní CCD-kamery mají citlivost řádově od 10-1 luxu (tj. cca 5x108

fotonů/sec.mm2) při vlnové délce 550 nm. V případě chlazených kamer se dolní mez jasu pozorovaných objektů posune na úroveň čítání jednotlivých fotonů. Snímaný obraz pak může být i poměrně dlouho integrován cestou souběžné akumulace náboje ve všech detektorech, podobně jako při prodloužené fotografické expozici (samozřejmě za cenu obětování časového rozlišení). Alternativní technickou možností snímání tmavých obrazů jsou kamery se zesilovači obrazu, které však mají řadu nevýhod.

Dynamický rozsah měření intenzit, vyjádřený v jednotkách šumu, převyšuje hodnotu 5x103 : 1, v případě chlazených kamer se blíží hodnotě 105 : 1.

Spektrální citlivost pro běžné křemíkové CCD čipy je cca 400 až 1100 nm, ve speciálních případech je posunuta citlivost i do UV oblasti.

Jako typický rozměr pro CCD-videokameru je možno uvést 50x60x160 mm při hmotnosti 300 až 500 g bez objektivu. Pro mikroskopické účely se zpravidla používají videokamery bez objektivu a montují se k mikroskopu na místo určené pro

Page 94: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

mikrofotografický nástavec, některé mikroskopy mají pro videokamery speciální výstup (kamery jsou obvykle opatřené standardním “C” závitem). V některých případech je nutné používat optický mezikus k přizpůsobení velikosti promítaného obrazu velikosti CCD čipu.

Signál z videokamery může být veden přímo do TV přijímače ev. TV monitoru, zaznamenáván videorekordérem nebo přes speciální videokartu zobrazen na monitoru osobního počítače. Poslední případ však má opodstatnění v případě, že počítač je vybaven také speciálním software pro obrazovou analýzu (Image Analysis).

Pro náročnější účely jsou určeny systémy S-VHS s vyšším rozlišením (asi 400 bodů na řádek oproti 230 u systému VHS), které jsou ovšem jak investičně tak i provozně dražší.

Lze konstatovat, že již jen možnost pohodlného pozorování obrazu na monitoru přináší ve svých důsledcích zvýšení efektivnosti výzkumné ev. kontrolní činnosti při snížené únavě zraku a zvýšeném komfortu ovládání. Velkou výhodou je možnost pohotově zaznamenávat statický i pobyblivý obraz na videokazety nebo optické disky a s pomocí videoprinteru okamžitě pořizovat potřebnou fotodokumentaci. Hlavní přínos CCD-kamery však spočívá v tom, že otevírá možnosti digitalizace obrazu a jeho následnému počítačovému zpracování.

Jako jednu z oblastí, kde znamenala videomikroskopie velký přínos lze uvést Intensified Fluorescence Microscopy - IFM (zesílená fluorescenční mikroskopie), která využívá zesilovačů obrazu nebo chlazené CCD kamery. Tím lze snížit intenzitu buzení a úspěšně potlačit nežádoucí “vybělování” fluorescence. Kromě toho u valné části biologických vzorků je intenzita jejich fluorescence nedostatečná pro obyčejné videokamery i při normálním buzení. Při kombinaci s počítačovým zpracováním obrazu lze poměr signál/šum ještě dále zlepšit a zvýšit tak citlivost metody.

Speciální typ videomikroskopie představují mikroskopy (lupy) s vláknovou optikou, které mají speciální objektiv na konci světlovodného kabelu, kterým se vede obraz na CCD element. Zvětšený obraz se pak pozoruje na obrazovce monitoru. Tento typ zařízení se někdy označuje jako REMOTE VIDEO MICROSCOPE SYSTEM - RVMS).

Pro snímání většího počtu bodů najednou se používají speciální snímací integrované obvody, založené na technologii CCD (Charge Coupled Device). Obvody CCD umožňují posouvat elektrický náboj (analogovou hodnotu) pomocí hodinových impulsů, tj. synchronně s činností digitalizačních prvků (A/D převodníku a video-paměti). Snímací integrovaný obvod obsahuje velký počet fotocitlivých elementů, uspořádaných do řádku nebo obdélníkové matice. Náboje, vzniklé osvětlením jednotlivých fotocitlivých elementů, se pomocí CCD obvodů postupně přenesou na výstup, ze kterého se odebírá videosignál. U senzorů pro skenery tak lze sejmout najednou celý řádek obrazu, u kamerových senzorů (video-kamery a digitální fotoaparáty) se snímá najednou celý dvojrozměrný obraz.

Page 95: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Použití:

1. Jako zdroj světla: malé baterky, blikačky na kola,...2. Indikace zapnutí přístroje3. Informační panely: sedmisegmentové a maticové displeje, např. u tramvají, metra, ...(viz foto.)

  

Page 96: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Princip LCD displeje

Snaha o miniaturizaci a snižování příkonu se nevyhnula ani zobrazovacím prvkům. Vakuová obrazovka, která byla po dlouhá léta jediným použitelným prvkem pro zobrazení pohyblivého obrazu, získala vážného konkurenta v r. 1960, když firma RCA vyvinula novou technologii zobrazení, využívající vlastností tzv. tekutých krystalů (LCD, Liquid Crystal Display). Základem LCD displeje jsou dvě průhledné fólie, mezi kterými je tenká vrstva speciální tekutiny, obsahující molekuly tyčovitého tvaru (nematické krystaly). Molekuly mají díky svému tvaru tendenci uspořádat se jedním směrem. Jestliže na vnitřní straně krycí fólie vytvoříme jemné drážky, molekuly v blízkosti fólie se orientují podél drážek a vzdálenější molekuly mají tendenci orientovat se podle nich. Jestliže budou drážky na obou fóliích navzájem kolmé, uspořádají se molekuly do spirály.

Spirálovitě uspořádané nematické krystaly stáčejí rovinu polarizace procházejícího světla o 90°. Schopnost tekutých krystalů stáčet rovinu polarizace světla lze navíc ovládat elektrickým proudem, protékajícím ve směru kolmém k vrstvě. Jestliže vrstvou krystalů prochází proud, krystaly se orientují souběžně s protékajícím proudem a přestanou rovinu polarizace světla stáčet.

Page 97: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

Běžné světlo není polarizované a tekuté krystaly ho proto viditelně nezmění. Jestliže však vrstvu tekutých krystalů vložíme mezi dva nesouhlasně polarizované filtry, můžeme elektrickým proudem měnit množství světla procházejícího celou sestavou. Pokud vrstvou nebude procházet proud, budou krystaly stáčet rovinu polarizace procházejícího světla a světlo projde i druhým filtrem. Připojíme-li zdroj proudu, tekuté krystaly přestanou stáčet rovinu polarizace procházejícího světla a druhý filtr světlo zadrží.

Zdroj světla nemusí být nutně na opačné straně než pozorovatel. Světlo dopadající na displej ze strany pozorovatele se může odrazit od podložky a obraz na displeji pak je vidět i bez pomocného zdroje světla.

Stejně jako u obrazovky se také v LCD displejích využívá princip rozkladu obrazu na velké množství bodů, uspořádaných do pravidelné mřížky z řádků a sloupců. Aby bylo možné selektivně ovládat proud, protékající jednotlivými malými oblastmi kapalné vrstvy, jsou na jedné krycí fólii naneseny tenké vodiče orientované ve směru řádků, na druhé vodiče orientované ve směru sloupců. Po přivedení ovládacího napětí na jeden řádkový a jeden sloupcový vodič proud protéká pouze v malé oblasti kolem průsečíku vodičů. Jestliže se zvolí vhodné pořadí přepínání vodičů (nejprve se projdou všechny sloupce, pak se přejde na další řádek a opět se projdou všechny sloupce, atd.), je možné do LCD displeje přivádět téměř stejný video-signál jako do obrazovkového displeje.

Nevýhodou LCD displejů, kterou se dosud nepodařilo odstranit, je omezení jejich funkce při nízkých teplotách (pracují nejvýše do –20°C), což ztěžuje jejich použití v průmyslovém prostředí a dopravních prostředcích. Problémem prvních LCD displejů byl také malý kontrast, monochromatické zobrazení a velká setrvačnost. Z původní technologie označované zkratkou TN (Twisted Nematic Technology) proto byly postupně odvozeny dokonalejší technologie (Supertwist Nematic, Double Supertwist Nematic, Triple Supertwist Nematic), poskytující stále kvalitnější obraz. Barevného zobrazení se dosahuje použitím barevných filtrů.

Kvalita dnešních LCD displejů je již plně srovnatelná s obrazovkovými, pouze jejich cena je stále vyšší. Uplatňují se proto především u přenosných počítačů, kde se plně uplatní jejich výhody. Jisté problémy měla technologie LCD s realizací větší obrazové plochy, ale v poslední době se objevily na trhu ploché monitory s úhlopříčkou a rozlišovací schopností srovnatelnou s běžnými obrazovkovými monitory. LCD technologie se používá také v projektorech, umožňujících promítat obraz generovaný počítačem na projekční plochu. Protože zdrojem světla je libovolný vnější zdroj, lze s LCD technologií dosáhnout podstatně většího jasu promítaného obrazu než s obrazovkou

Page 98: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

16 NIC

Page 99: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

17LOM= refrakce – lom světla nastane když světelný paprsek prochází do druhého prostředí.Zákon lomu (Snellův zákon) Světlo dopadá na rozhraní do bodu dopadu O pod úhlem dopadu . Rovinu, na které se světlo láme, určuje rozhraní, pokud je rovné, popř. tečná rovina k rozhraní v bodě O, pokud je zakřivené. Kolmice k této tečné rovině se nazývá kolmice dopadu (k). Paprsek dopadajícího světla a kolmice dopadu leží v rovině, kterou nazýváme rovina dopadu. Lomený paprsek směřuje z bodu O druhým prostředím pod úhlem lomu a leží v rovině dopadu. I úhel lomu se měří od kolmice dopadu. Matematicky je zákon lomu vyjádřen vztahem

1

2

nn

sinsin

(n1 je index lomu prostředí, kterým paprsek prochází, než dojde k lomu, n2 index lomu prostředí, do kterého paprsek prochází)index lomu n je poměr rychlosti světla ve vakuu a rychlosti světla v   daném prostředí

n = c/vPorovnáním indexů lomu je jedno z obou prostředí opticky řidší a druhé opticky hustší. Opticky hustší prostředí je to, které má větší index lomu.Podle zákona lomu nastává při přechodu světla z   opticky řidšího do opticky hustšího lom světla ke kolmici ( < ) a při přechodu z   opticky hustšího prostředí do opticky řidšího prostředí nastává lom od kolmice ( > ). Lomu se využívá u čoček.Při lomu od kolmice může dojít k tzv. úplnému odrazu. Při úhlu dopadu m (mezní úhel) je úhel lomu 90o. Světlo pak neprochází do druhého prostředí. K úplnému odrazu dojde, když je úhel dopadu větší než mezní úhel. Mezní úhel každé látky je podle zákona lomu:

1

2m

mm

nnsin

1sin

90sinsin

Při přechodu z prostředí do vzduchu platí

n1sin m

Úplného odrazu se využívá u odrazných hranolů (jsou v triedru), protože při rozhraní sklo-vzduch je m = 42° a pro úhel 45° už je lze použít. Na tomto principu jsou také založena optická vlákna (optické kabely) pro přenos informací. 

Page 100: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

18 CD, DVDO principu CD si přečtete stručně zde ¤ nebo v obsáhlejším článku zde ¤ či vysloveně odborně zde ¤ .O principu DVD si přečtete zde ¤ . Je v podstatě tentýž jako u CD, jen se používá větší hustota dat a více vrstev dat nad sebou. Z toho důvodu se také používá menší vlnová délka čtecího laseru. Z trochu jiné strany se o DVD dozvíte zde ¤ . Jednoduchý přístup k problematice Vám ukáže článek z ABC ¤ .Optické disky

Během vývoje se objevila celá řada medií pro optické paměti, ale po nástupu technologie CDDA (Compact Disc Digital Audio) se rozšířily především optické disky CD-ROM a základním požadavkem pro všechny nové typy optických disků se stala kompatibilita s CD-ROM pro čtení.

Podobně jako polovodičové paměti dělíme také optické disky podle způsobu zápisu na disky určené pouze pro čtení, disky s možností jednoho zápisu a disky s možností opakovaného záznamu. U komerčně produkovaných disků CD-ROM (distribuce programů, multimediální publikace) se používá technologie výroby shodná s CDDA. U disků s možností zápisu se používá speciální záznamová vrstva, jejíž optické vlastnosti lze měnit osvícením vrstvy laserem se zvýšeným výkonem. U disků s možností jednorázového zápisu se vlastnosti vrstvy změní trvale, u disků s možností opakovaného záznamu lze záznamovou vrstvu vrátit do výchozího stavu, tj. disk nebo jeho část vymazat.

Na disky CD-ROM (CD – Read Only Memory) se data přenášejí stejnou technologii jako u běžných audio CD disků (lisování z matrice). Tato technologie je výhodná pro velké série, ale vyžaduje vyšší počáteční náklady a jsou s ní proto podobné problémy jako s pamětmi ROM programovanými maskou. Proto byly vyvinuty technologické varianty CD, umožňující při plné kompatibilitě čtení mechanikou CD-ROM záznam dat uživatelem.

Technologie CD-R (CD Recordable) umožňuje jednorázový zápis na disk (obdoba polovodičové paměti PROM). Záznam se provádí natavením speciální záznamové vrstvy disku výkonným laserem. Natavená místa se stanou neprůhledná a brání odrazu paprsků laseru při čtení, zatímco neporušená původní vrstva je průhledná a odrazu nebrání. Odraz zajišťuje další (kovová) vrstva. Technologie CD-R je výhodná především pro archivaci dat, kde se obvykle nepředpokládá opakované použití media. Dále je technologie CD-R vhodná pro distribuci software a dat v malých sériích.

Technologie CD-RW (CD Read/Write) je podobná technologii CD-R, umožňuje však navíc mazání a opakované použití media. K mazání se používá záznamový laser se sníženým výkonem. Laserem se rovnoměrně prohřeje záznamová vrstva, která při chladnutí vykrystalizuje a zprůhlední. Možnost opakovaného použití je výhodná především pro zálohování systému. Media CD-RW jsou ovšem dražší a proto se často kombinuje zálohování na CD-RW (např. pro denní cyklus) a na CD-R (měsíční zálohy) nebo zálohování na CD-R se zálohováním na pásku (DAT).

WORM (Write Once, Read Multiple) je starší technologie podobná CD-R. Její nevýhodou je, že medium není kompatibilní s CD-ROM a vyžaduje speciální mechaniku.

Page 101: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

MO disk (Magneto-Optical) je poněkud odlišná technologie, využívající pro záznam dat tzv. Kerrova efektu (stáčení paprsku v závislosti na magnetické orientaci materiálu). Magneto-optické disky se čtou a přepisují podobně jako CD-RW laserem, při zápisu a mazání je však nutná přítomnost magnetického pole.

V současné době se rychle rozšiřuje nová technologie optických disků DVD (Digital Versatile Disc). Technika čtení a záznamu dat je stejná jako u CD, používá se však laser s kratší vlnovou délkou, vyšší hustota stop a záznam může být dvouvrstvý a oboustranný. Výsledkem je podstatně vyšší kapacita media (CD 650 MB, DVD až 17 GB). Standardizace disků DVD s možností zápisu dat uživatelem zatím není ustálená (existuje několik soupeřících standardů - dvě verze DVD-RAM, DVD-RW a DVD-R) a také ceny médií jsou zatím příliš vysoké.

V oblasti optických disků lze očekávat další zvyšování kapacity, případně zmenšování rozměrů medií při zachování stejné kapacity. V laboratorním stádiu vývoje totiž již existují technologie, umožňující záznam do velkého počtu vrstev (řadově 100).

Obecně jsou optické disky mimořádně spolehlivé a odolné proti poškození. Data jsou zabezpečena samoopravným kódem, umožňujícím rekonstrukci dat i při čtení poškozeného disku (poškrábaný povrch). Důvěra v nezničitelnost disků se však nesmí přehánět. Na disky se např. nemá psát kuličkovým perem a nebezpečné mohou být i různé samolepící štítky (pozor na CD-R media s nechráněnou kovovou odraznou vrstvou, která se může mechanickým namáháním odloupnout).

Page 102: PN přechod - dioda elektronika.doc · Web viewZe střídavého proudu s efektivní hodnotou ¤ se stane stejnosměrný proud s efektivní hodnotou Uef=Um/2, tzv. tepavý proud(viz

19Využití fotorezistoru:

1. Měření osvětlení - expozimetr ¤ (např. ve fotografických přístrojích)2. Ovládání přístrojů - fotobuňka ¤ - otvírání dveří, zapínání zařízení...3. Zabezpečovací zařízení - světelná závora ¤ - proti krádeži, bezpečnostní pojistka pro vypínání přístrojů, ...4. Detekce neviditelného infračerveného záření - nutno používat materiály s menší šířkou zakázaného pásu, například InSb. Toto se opět používá v zabezpečovacích zařízeních ¤ (paprsek není vidět).

Zabezpečovací zařízeníZabezpečovací zařízení proti zlodějům, počítače výrobků, "hlídače" zavírání dveří ve výtazích aj. fungují na podobném principu. Paprsek světla (buď viditelného nebo neviditelného - infračerveného) vychází ze zdroje na jedné straně a dopadá na fotorezistor nebo fotodiodu na druhé straně (obr. 1). Při přerušení paprsku vzroste odpor fotorezistoru a zařízení provede nějakou akci.

obr. 1Obvod s fotorezistorem může být např. tohoto typu ¤ .Pokud zařízení funguje jako zabezpečovací zařízení, může při přerušení paprsku začít houkat, svítit apod.Hlídač zavírání dveří při zaclonění paprsku dveře nezavře.Počítač výrobků přijímá pulsy obdélníkového tvaru a počítá je například v takovémto obvodu ¤ .Obvod může hlídat, aby někdo neotevřel kryt přístroje, který je v chodu - v takovémto případě se při osvětlení fotorezistoru přístroj vypne.Technické parametry světelných závor: stránky výrobce - Tesla Blatná, a. s. ¤


Recommended