Otevřít hlavní menu

Praktická elektronika/Jednoduché polovodičové součástky

DiodyEditovat

Dioda je polovodičová součástka ze dvou oblastí polovodiče: P a N. V nejběžnějším provedení slouží jako jednocestný ventil — propouští proud jen jedním směrem. Existuje ale řada různých druhů, které umí i jiné věci.

Princip funkceEditovat

Polovodičová dioda je tvořena PN přechodem, který vzniká při kontaktu polovodiče typu P a typu N. V místě styku rekombinují volné elektrony polovodiče typu N s dírami polovodiče typu P. Vzniká tak oblast bez náboje a polovodič typu N se nabíjí kladně, protože v něm ubývá záporný náboj, polovodič typu P se nabíjí záporně, protože v něm ubývá kladný náboj. Mezi polovodiči vznikne napětí tzv. potenciálový val, které má směr od polovodiče typu N k polovodiči typu P. Potenciálový val způsobuje, že náboje se nemohou přes přechod P-N volně pohybovat, dokud vnějším napětím se správnou polaritou není tento val překonán.

Usměrňovací diodyEditovat

 
V-A charakteristika
 
Usměrňovací diody

Dioda propouští proud jen jedním směrem. Ve schématech se značí:

Proud teče jen z anody na katodu (ta je obvykle barevně označena) ne obráceně.

Chování diody popisuje tzv. voltampérová charakteristika — tedy závislost protékajícího proudu na přiloženém napětí. Při praktickém používání diody jsou důležité tyto parametry:

  • Prahové napětí, což je napětí, které je třeba přiložit na diodu, aby došlo k jejímu otevření tj. aby jí mohl protékat proud. Toto napětí závisí na materiálu, např. u křemíku je 0,51 V, germania 0,28 V, u LED může dosahovat i 3 V.
  • Maximální proud v propustném směru je maximální proud, který může diodou procházet bez jejího zničení v důsledku přehřátí. U běžných malých diod je to obvykle 0,5 A, snadno se ale seženou diody na desítky A. Někdy se místo maximálního proudu používá výkonová ztráta.
  • Dynamický odpor je velikost odporu otevřené diody pro malý střídavý proud. Je dán sklonem charakteristiky v propustném směru. Bývá malý.

Prahové napětí a malý dynamický odpor v propustném směru způsobují, že na otevřené diodě je v propustném směru stálý úbytek napětí o hodnotě asi 0,7 V.

  • Maximální závěrné napětí je maximální napětí, které dioda v závěrném směru udrží, aniž by se prorazila. U běžných, křemíkových diod se pohybuje od 50 V do 1500 V.
  • Zbytkový proud je proud, který prochází diodou v závěrném směru. Bývá velmi malý.

Ideální dioda by měla tyto parametry: nulové prahové napětí, nekonečný maximální proud v propustném směru, nulový dynamický odpor, nekonečné maximální závěrné napětí, nulový zbytkový proud.

Svítivá dioda — LEDEditovat

 
Svítivé diody
 
V-A charakteristika
 
Seříznutá strana s "vaničkou" je katoda, tedy mínus!

Diody, které jsou schopné svítit, když jimi v propustném směru prochází malý proud, se vyrábějí v různém tvarovém i barevném provedení. Nejčastěji se dají sehnat zelené, žluté, červené a modré, dále existují bílé a vícebarevné. Ty mají 4 nožičky — červenou, zelenou a modrou složku a katodu. Značí se takto:

Úbytek napětí na svítivé diodě je poměrně velký, mezi 1,5 a 4,0 V (obecně platí, že směrem od červené k zelené úbytek napětí propustném směru stoupá; viz tabulka).

Svítivé diody skoro nelze použít k usměrňování — mají malé závěrné napětí i malý propustný proud. Proto na V-A char. není ani zakreslena oblast záporných napětí. Každá svítivá dioda má stanovený maximální proud, který se nesmí překročit (aby se nezničila). Z charakteristiky je zřejmé, že od jistého napětí proud začíná rychle narůstat. Musíme tedy před ní vždy zařadit rezistor, který proud omezí.

Běžná svítivá dioda má povolený proud I = 20 mA. Při připojení ke zdroji o napětí Uzdroj třeba 5 V je třeba zařadit rezistor o odporu R:

 

Tabulka úbytků napětí podle barvy LED diody

Barva Úbytek napětí
Infračervená 1,6 V
Červená 1,8 V až 2,1 V
Oranžová 2,2 V
Žlutá 2,4 V
Zelená 2,6 V
Modrá 3,0 V až 3,5 V
Bílá 3,0 V až 3,5 V
Ultrafialová 3,5 V

Lavinová a Zenerova diodaEditovat

 
Výkonová Zenerova dioda
 
V-A charakteristika

V některých případech se nám hodí velký a stabilní úbytek napětí v řádu jednotek až desítek V. Spojením dvaceti křemíkových diod v propustném směru za sebe bychom sice získali úbytek napětí 12 V, byl by ale dost závislý na změnách teploty a proudu.

Proto se vyrábějí diody, u kterých jde malým napětím způsobit nedestruktivní průraz v závěrném směru, který má dobře stanovený úbytek napětí.

Prakticky není vnější rozdíl mezi "Zenerovou" (pro napětí cca od 3 do 6 V) a "lavinovou" (pro napětí vyšší) diodou a často ani v katalozích toto není rozlišováno. Liší se fyzikálním mechanismem průrazu. Průrazné napětí je závislé na teplotě. Zenerův průraz má záporný teplotní koeficient, lavinový průraz kladný. Kolem napětí 6V mohou být přítomny oba mechanismy a vzájemně se do jisté míry kompenzovat.

V závěrném směru je velmi strmá závislost proudu na napětí: úbytek napětí v závěrném směru skoro nezávisí na proudu! Této vlastnosti se užívá např. v napěťových stabilizátorech.


Schottkyho diodaEditovat

Ve Schottkyho diodách nevzniká usměrňovací jev mezi dvěma druhy polovodiče, ale mezi kovem a polovodičem.

Oproti běžné křemíkové diodě se liší v tom, že má

  • nižší úbytek napětí (cca 0,3 V)
  • kratší dobu, než se zavře při změně směru proudu (řádově 20 ns), ale také
  • větší závěrný proud a nižší povolené závěrné napětí (cca 40 V)

Další druhy diodEditovat

  • Hrotová dioda [1]
  • Svítivá laserová dioda (perspektivní a účinný zdroj koherentního záření)
  • Vysokonapěťová dioda (závěrné napětí přes 30 kV, malý proud)
  • Mikrovlnná (Gunnova) dioda [2] (vyzařuje mikrovlny v oblasti 10 GHz a výše, mírně laditelná, velmi citlivá na vlastnosti napájení)
  • Varikap — kapacitní dioda [3] (čili napětím laditelný kondenzátor)
  • Dioda PNPN [4]
  • Tunelová dioda [5] (s užitečným "hrbem" na voltampérové charakteristice)
  • Elektronková dioda
  • Fotodioda (měří intenzitu světla nebo její druhou mocninu)

Bipolární tranzistoryEditovat

 
Tranzistory různých velikostí

Bipolární tranzistor (BJT - Bipolar Junction Transistor) je součástka, která umožňuje malým proudem řídit větší proud.

Existuje řada různých druhů tranzistorů, které se podstatně liší. Některé další běžné druhy tranzistorů jsou popsány v následujících kapitolách.

Bipolární tranzistor si můžeme představit jako rezistor (s nožičkami kolektor C a emitor E), který mění svůj odpor tak, aby mezi E a C neprotékal větší proud, než je β-násobek proudu, který teče do řídicí nožičky - báze B. Obvykle se používá buďto jako spínač, nebo jako zesilovač.

Bipolární tranzistory se vyskytují ve dvou variantách: NPN a PNP. Jsou funkčně podobné, liší se ale opačnou polaritou: tam, kde u NPN teče proud jedním směrem, teče u PNP opačným. V následujících příkladech budeme používat NPN tranzistor, ve všech těchto zapojeních ale jde použít i PNP tranzistor, když u všech součástek včetně napájení převrátíme polaritu. Značí se takto:

  

NPN        PNP

K zapamatování symbolu pomůže, že

  • en pé en, šipka ven
  • pé en pé, Pojď Na Pivo
  • nožička se šipkou je vždy emitor


Tranzistor jako spínačEditovat

Když tranzistor zapojíme podle schématu, bude malý proud tekoucí do báze IBE určovat, jestli bude sepnut větší proud ICE tekoucí ze zdroje skrz žárovku do kolektoru:

 

Funkce je vidět na fotografiích:

  

Aby tranzistor spínal a vypínal kolektorový proud, stačí do báze pustit výrazně menší proud (zde má rezistor 1 kΩ, proto IBE = 5 mA).

Tranzistor jako jednoduchý proudový zesilovačEditovat

Zesilovací činitel β popisuje, kolikrát tranzistor zesiluje proud. U běžného tranzistoru je β 50 - 150.

Pokud je β = 100 a do B teče 1 mA, dovolí tranzistor, aby z C do E teklo nejvýše 100 mA.

V následující ukázce postupně zvětšujeme bázový proud IBE. Rezistenci proměnného rezistoru snižujeme z 48 kΩ na 1 kΩ) a sledujeme svit žárovky:

 

Zpočátku (obr. 1 až 3) vzrůstá svit žárovky, neboť se vzrůstajícím IBE tranzistor propouští i úměrně větší ICE. Na obrázku č. 4 ale při dalším zvětšení bázového proudu už nepozorujeme zvýšení svitu žárovky, protože sama žárovka omezuje proud. (Na tranzistoru bychom nyní naměřili skoro nulové napětí, protože teď už je tranzistor zcela otevřen a neomezuje ICE.)

    


Aby to nebylo tak jednoduché, přechod báze-emitor se chová jako dioda v otevřeném směru: má úbytek napětí 0,6 V. Pokud bází protéká proud, je na ní vždy napětí o 0,6 V vyšší než na emitoru.

Nejčastější zapojení tranzistoru jako zesilovačeEditovat

Ve třech následujících zapojeních přidáme k tranzistoru několik rezistorů a kondenzátorů, aby obvod sloužil jako napěťový a/nebo proudový zesilovač.

Tato zapojení slouží jako zesilovač střídavého signálu, čímž se rozumí střídavé napětí či proud. To znamená, že:

  1. Musíme počítat s tím, že bude kladný i záporný. U tranzistoru je proto potřeba nastavit tzv. pracovní bod, tedy stav, kdy jím protéká malý stejnosměrný proud. Signál se pak přičítá či odčítá.
  2. K oddělení stejnosměrného proudu a signálu můžeme použít kondenzátor.Ten se totiž pro stejnosměrný proud chová jako rozpojený čili tento proud jím neprojde na rozdíl od střídavého signálu, který jím může procházet.

Protože v těchto obvodech protéká proud, i když je signál nulový, označujeme je jako zesilovače třídy A. Hojně se využívají k zesilování zvuku, v rádiích, vysílačkách, televizích atd. Více najdete v kapitole o zesilovačích.

Zesilovač se společným emitoremEditovat

Toto zapojení má velké proudové i napěťové zesílení. Používá se nejčastěji.

Nejdříve nastavíme tzv. pracovní bod tranzistoru. To obnáší přidat několik rezistorů:

  • R1 aby protékal malý proud rezistorem do báze
  • (volitelně R2 kvůli lepší stabilitě obvodu, avšak tuto funkci může alespon částečně plnit i R4)
  • R3 aby na kolektoru byla zhruba polovina napětí zdroje
  • (případně R4, aby kladl odpor vstupnímu signálu a vytvořil tak zápornou zpětnou vazbu)

 

Nyní protéká malý bázový proud a na βkrát větší kolektorový proud. Když na vstup připojíme signál:

  1. Signál prochází skrz C1 a chce projít bází na zem. Přitom se přičítá k malému bázovému proudu, který teče trvale skrz R1.
  2. Při zvětšení signálu tekoucího skrz bázi tranzistor propustí větší proud na kolektoru. Vzroste úbytek napětí na R3, poklesne napětí na výstupu.
  3. Tím se zvětší napětí na R4 a poklesne napětí na výstupu. Vzrůst napětí na R4 ale brání bázovému proudu - takto je vytvořena zpětná vazba, která způsobí, že výsledné napěťové zesílení je poměr R3/R4.

Protože výstupní signál odebíráme za odporem, je převrácený oproti vstupu. Třeba u zvuku to vůbec nevadí.

Napěťový zesilovač se společnou bázíEditovat

Všechen proud výstupního signálu je tvořen proudem vstupního signálu. Toto zapojení tedy zesiluje jen napětí. Lze je použít i pro vysoké frekvence (~200 MHz).

 

Proudový zesilovač se společným kolektoremEditovat

Vstupní signál zde v klidovém stavu musí procházet rezistorem R3. To ale znamená, že na výstupu musí být napětí o trochu menší než na vstupu! Pokud na výstupu odebíráme proud, sníží se na něm napětí, umožní to větší průtok bázového proudu a ten okamžitě zvýší průtok kolektorového proudu. Tím se pokles napětí hned vyrovná. V tomto zapojení se nezesílí napětí, ale jen proud.

Napětí na výstupu zesilovače (emitoru) sleduje napětí na vstupu (bázi). Proto se zapojení se společným kolektorem často označuje jako emitorový sledovač. Tento zesilovač je řízen jen velmi malým proudem (který zesiluje).