Praktická elektronika/Jednoduché polovodičové součástky

Diody

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 funkce

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 diody

V-A charakteristika

Usměrňovací diody

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

Schematická značka diody

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 — LED

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:

Schematická značka diody

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.

Příklad: Běžnou svítivou diodu o průměru 5mm zelené barvy připojíme na baterii 9V. Jaký rezistor je potřeba zařadit před diodu?

• z tabulky podle barvy $u_{D}=2,6V$
• diody této velikosti mají zpravidla max. proud $i_{D}=20mA$
  • podle 1. Kirchhoffova zákona: $i_{D}=i_{R}$
  • podle 2. Kirchhoffova zákona: $U_{0}=u_{R}+u_{D}$
  • podle Ohmova zákona: $R={\frac {u_{R}}{i_{R}}}$
• z toho odvodíme $R={\frac {U_{0}-u_{D}}{i_{D}}}={\frac {9-2,6}{0,02}}=320\Omega$
  • nejbližší hodnota z nejpoužívanější řady E12 je 330Ω
• ztrátový výkon: $\Delta P\geq {\frac {{u_{R}}^{2}}{R}}={\frac {(9-2,6)^{2}}{330}}=0,124W$
  • běžná hodnota je ΔP = 0,25W → OK

Dodržením správného odporu zajistíme, že neshoří dioda. Dodržením správného ztrátového výkonu zajistíme, že neshoří rezistor.

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 dioda

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.

Schematická značka diody

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 dioda

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

Schematická značka diody

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 diod

• 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 tranzistory

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 spínač

Když tranzistor zapojíme podle schématu, bude malý proud tekoucí do báze I_BE určovat, jestli bude sepnut větší proud I_CE 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 I_BE = 5 mA).

Tranzistor jako jednoduchý proudový zesilovač

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 I_BE. 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 I_BE tranzistor propouští i úměrně větší I_CE. 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 I_CE.)

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.