1

Přednáška

Diody, usměrňovače,

stabilizátory, střídače

Základy elektrotechniky

2

VÝROBA POLOVODI ČOVÝCH PRVK Ů

Polovodič - prvek IV. skupiny, nejčastěji Si, - vysoká čistota (10-10), - bezchybná struktura atomové mřížky v monokrystalu.

Polovodič typu P - má příměs prvku, který má o jeden valenční elektron méně než základní polovodič - nejčastěji bór B.

Polovodič typu N - má příměs prvku, který má o jeden valenční elektron více než základní polovodič - nejčastěji fosfor P, vodivost je způsobena pohybem valenčních elektronů

Základní materiál polovodičových součástek- monokrystalický polovodivý Si

3

Monokrystaly - příprava z krystalového zárodku, např. tažením z taveniny v kelímku (monokrystaly o průměru až 500 mm, délce až 180 cm a hmotnosti do 100 kg).

Hotové monokrystaly- řezání na tl. cca 1 mm- leptání, - broušení- leštění

4

DIODA - princip

Dioda - přechod PNoblast P - přebytek děr, oblast N - přebytek elektronů

=> vznik potenciálového valu

Žádná dioda nemá nulové prahové napětí

=> nelze účinně přímo usměrňovat napětí < 1 V.

prahové napětí Up

Si dioda Up = 0,5 VGe dioda Up = 0,2 V.

5

Polarizace diody

Žádná dioda nemá nulové prahové napětí => nelze účinně přímo usměrňovat napětí < 1 V.

prahové napětí Up

Si dioda Up = 0,5 VGe dioda Up = 0,2 V.

propustný směr závěrný směr

I = 0

6

VA charakteristika diody

závěrný směr propustný směr

7

Mezní parametry diod

Imax maximální proud v propustném směru ,dán plochou PN přechodu a jeho chlazením 50 mA až několik tisíc ampér dle konstrukce

Umax maximální závěrné napětí 50 V až 6000 V pro Si diody dle typu

URSM průrazné napětí je asi o 50% vyšší než Umax

P ztrátový výkonvýkon, který je třeba odvést chlazením;

8

Lavinová dioda a Zenerova dioda

Běžné diody– lavinovitý nárůst závěrného proudu ⇒ zničení přechodu

Lavinové a Zenerovy diody(ZD)- vysoce homogenní PN přechod ⇒lavinovitý nárůst závěrného proudu nedestruktivní ⇒ stabilizace napětí.

9

Náhradní schéma ZD

Použití - stabilizace napětí

rd U

d IZZP

ZP

=

náhradní schéma ZD, schematická značka

ZD lze mezi body B a C nahradit sériovou kombinací - ideálního zdroje napětí UZ0 a - diferenciálního odporu rZ

Zenerovo napětí UZ0 2 V až 30 V dle typuDovolený ztrátový výkonna ZD PZ = IZmax.UZ

10

USMĚRŇOVAČE

Filtra ční kondenzátorna výstupu usměrňovače:- v části periody se nabije proudem přes diodu usměrňovače a- ve zbývajícíčásti periody (kdy proud diodami neteče) hradí proudtekoucí do zátěže náboj v kondenzátoru

Filtrační kondenzátor - velká kapacita⇒ polarizovaný elektrolyt

Jednofázový jednocestný usměrňovač

11

Zvlnění výstupního napětí

výpočet změn výstupního napětí - zvlněnípředpoklady: td<<T , vybíjení kondenzátoru ≈ lineární (v praxi bývá splněno)

2u∆

.Ti uC. = Q 22 ≅∆ C

.Ti u2

2 ≅∆

u - 2u - Uu-

2u- U = U d

2d

212stř

∆=∆1max 2

T =1 / f , pro f = 50 Hz jeT = 20ms

ud - úbytek napětí na diodě, cca. 0,7 až 1 V

d 1 1U = 2.U = 2 2 .Umax max

Dimenzování diody:

12

C

Tiu

22

2 =∆

Dvoufázový dvoupulzní usměrňovač

Uzlové zapojení

d 1 1U = 2.U = 2 2 .Umax max

Dimenzování diody:

13

C

Tiu

22

2 =∆

Jednofázový dvoucestný usměrňovač

Můstkové zapojení

U. 2 = U = U 1 1 d maxmax

Dimenzování diody:

ud ≈ 2 V

14

Stabilizátor se ZD

+ +

_ _ZD

u3

∆u3

i3R

iZ

+

_

transformátor stabilizátor se ZDusměrňovač zátěž

15

Integrované stabilizátory

2

1 3

1

0,22 Fµ

U1

12-20V

U2

5V1A

+ +

0,22 Fµ

_ _

2

37805

Vyrábějí se - pro pevnou řadu napětí nebo - s napětím nastavitelným pomocí vnějšího potenciometru

Při montáži je třeba dbát na dostatečné chlazení. Ztrátový výkon Pmax je třeba odvádět chladičem

( ) max221max IUUP −=

Pozn.: na vývody integrovaného stabilizátoru je třeba připájet blokovací kondenzátory velikosti 0,1mF až 10mF bezindukčního provedení , tj. keramické nebo tantalové.

16

STŘÍDAČOVÉ ZDROJEModerní, efektivní, malá hmotnost, malé rozměry i při velkých výstupních proudech a při malých napětích. Např.: zdroj v PC, lehké nabíječe mobilních telefonů, atd.

+

_+

_IO budící a řídící obvod

zpětná vazba napětí

+

_

FIL

TR

sběrací

C

Transformátorekna feritovém jádře

spínacítranzistor

Výstupní usměrňovače

100

-230

V/5

0Hz

5V/20A

12V/4A

+

ZDROJ V PC

Princip: usměrňovač, střídač - pulzní napětí o kmitočtu 20 kHz až 200 kHz, znovu usměrňovač, výhoda - vf transf. napětí ⇒ malé rozměry jádra.

17

Vyrobený polovodičový systém –čip

• ochrana před vlivem prostředí• opatření vnějšími vývody • zapouzdření – kovová, keramická nebo plastová pouzdra), • nezbytná schopnost odvádět teplo vznikající v čipu do okolí

Maximální teplota čipu tcmax

- nesmí být ani krátkodobě překročena,Si tcmax = 150oC - 210oC, Ge tcmax = 90 oC

⇒teplo vytvořené ztrátovým výkonem P z čipu prvku musí být odváděnopryč

18

CHLAZENÍ ELEKTRONICKÝCH PRVK Ů

RP. =P.R = = ioc ∑−∆ ϑϑϑϑ

Pro ustálený stav: teplotní spád mezi čipem o teplotě a okolním prostředím o teplotě je úměrný ztrátovému výkonu P a celkovému teplotnímu odporu R

kde:∆ je oteplení čipu [K] P ztrátový výkon prvku [W]

teplota čipu [K] R celkový teplotní odpor [KW-1]teplota okolí [K] Ri dílčí teplotní odpory [KW-1]

ϑCϑ0ϑ

Cϑ 0ϑϑ

ϑ

19

P = 1

T u(t)i(t)dtz

0

T

∫

P = P Pz in out−

b) u součástek složitější konstrukce (zesilovač, stabilizátor napětí aj.)- je vhodnější určení Pz jako rozdíl výkonu přiváděného k obvodu Pina výkonu odevzdávaného obvodem Pout.

Ztrátový výkon Pz určíme:

a) u jednoduchých elektronických prvků (dioda, tranzistor) - jako střední hodnotu součinu přiváděného napětí a proudu včase

20

Zhruba platí, že 1 dm2 černěné plochy má teplotní odpor R = 6,5 KW-1.

Cϑ

Pϑ

chϑ

oϑ

Rp - udáván v kataloguRch - pro danou konstrukci lze zjistit měřením

závisí na: velikosti plochy chladiče, na její povrchové úpravě, poloze, proudění okolního vzduchu