Elektronika - Prvky elektronických obvodů
6
1. Pasivní prvky
Čas ke studiu: 10 hodin
Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět
• vysvětlit funkci pasivních prvků
• popsat základní charakteristiky a parametry pasivních prvků
• definovat aplikační možnosti pasivních prvků
Výklad
1.1. Rezistory
Elektrický odpor R vystupující v Ohmově zákoně je v praxi realizován součástkou
nazývanou rezistor. Důležitost této součástky vyplývá již ze samotného vzorce pro Ohmův
zákon, který říká, že rezistory převádějí proud na napětí a naopak. Jinými slovy, při
průtoku daného proudu I vzniká na rezistoru úbytek napětí U, přímo úměrný hodnotě odporu
R. Pokud bychom na rezistor přiložili napětí U, protekl by jím proud I tím menší, čím větší by
byla jeho hodnota odporu R. Rezistor je tedy v elektrickém obvodu schopen proud omezovat,
což je další z jeho velmi častých aplikací. Pro odpor elektricky vodivého materiálu R platí
vztah:
S
l
R ⋅= ρ (1.1)
kde :
R hodnota elektrického odporu [ ]Ω
ρ měrný elektrický odpor materiálu ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡Ω
m
mm2
l délka vodiče [ ]m
S průřez vodiče [ ]2
mm
Ze vztahu (1.1) je patrné, že odpor R se zvětšuje s rostoucím měrným odporem ρ a délkou l a
s klesajícím průřezem S.
Rezistory jsou elektronické součástky, jejichž základní požadovanou vlastností je elektrický
odpor žádané velikosti. Podle konstrukčního provedení je dělíme na dvě velké skupiny:
• rezistory se dvěma vývody (většinou pevné)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
7
• rezistory s více než dvěma vývody (rezistory s odbočkami, odporové trimry a
potenciometry)
Nezávisle na předchozím dělení můžeme z technologického hlediska rozdělit rezistory na:
• vrstvové (odporový materiál ve formě vrstvy)
• drátové (vinuté odporovým drátem)
Příklady provedení některých typů rezistorů jsou na obr. 1.1.
a) b)
b) d)
Obr. 1.1. Některé z typů používaných rezistorů
a) vrstvový rezistor
b), c) drátové rezistory
d) odporový trimr
1.1.1. Parametry rezistorů
Součástky jsou obvykle popisovány mezními a charakteristickými parametry. Mezní parametry
jsou ty, jejichž překročení vede ke zničení součástky. Charakteristické jsou ty, které
nám charakterizují užitné vlastnosti součástky. Jejich opomenutí vede většinou k nesprávné
funkci obvodu, nikoliv však k jeho destrukci. Nejdůležitějšími parametry diskrétního rezistoru
je jmenovitá hodnota odporu (charakteristický parametr) a jmenovitá zatížitelnost (mezní
parametr).
Jmenovitý odpor rezistoru představuje výrobcem předpokládaný odpor v ohmech [ ]Ω ,
s příslušnou tolerancí v procentech [ ]% . Podle udané tolerance jsou hodnoty rezistorů
vyráběny v řadě povolených čísel E6, E12, E24, atd. podle počtu n-hodnot v dekádě. Řada
volených čísel (tzv. procentní) tvoří geometrickou posloupnost s kvocientem:
nn
q
1
1010 == (1.2)
Jednotlivé členy řady tedy jsou:
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
8
10...;;10;10; 00
2
012
1
0010 aqaaaqaaaqaaa n
n
nn
====== (1.3)
Prvky výše uvedených řad, včetně procentní tolerance jsou uvedeny v tab.1.1.
Řada E24 (5%)
1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0
3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Řada E12 (10%)
1,0 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7 3,3 3.9 4,7 5,6 6,8 8,2
Řada E6 (20%)
1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8
Tabulka 1.1. Hodnoty prvků používaných řad
1.1.2. Jmenovitá zatížitelnost rezistorů
Jmenovitá zatížitelnost vychází z elektrického výkonu:
R
U
IRIUP
2
2
.. === (1.4)
zmařeného průchodem proudu I rezistorem R, na kterém je přitom úbytek napětí U. Tento výkon
se mění převážně v teplo. Jelikož by mohl nadměrný ohřev způsobit překročení teploty,
nad kterou již nastávají nevratné změny parametrů daného rezistoru, stanovuje výrobce maximální
povolený (jmenovitý) ztrátový výkon, při kterém ještě tato teplota překročena není.
Jeho hodnoty obvykle tvoří řadu 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2, 5 …[W] a nalezneme je u většiny
výrobců shodné.
1.1.3. Značení rezistorů
Podle velikosti a tvaru rezistorů využívají výrobci zpravidla jeden ze tří druhů značení odporu
rezistorů:
• číselné značení s příponou
• barevný kód
• číselný kód
1.1.3.1. Číselné značení s příponou
Základní jednotkou pro značení odporu rezistorů je 1 Ω. Ostatní řády se označují obvyklými
příponami (násobiteli). Na konci označení může být ještě písmeno značící toleranci hodnoty
odporu. Přípony a značky pro toleranci jsou uvedeny v tabulce 1.2. Násobitel R a J může být
vynechán.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
9
Násobitel 100
103
106
109
1012
Přípona R, J k M G T
Tabulka 1.2. Kódy pro značení hodnot rezistorů
Tolerance (+/-) 20 % 10 % 5 % 2 % 1 % 0,5 % 0,25 % 0,1 %
Kód tolerance M K J G F D C B
Tabulka 1.3. Kódy pro značení tolerance rezistorů
1.1.3.2. Barevný kód
Označování rezistorů barevným kódem se využívá především u miniaturních rezistorů, kde
rozměry součástky neumožňují vyjádřit hodnotu a toleranci písmenovým kódem. Barevné
značení má výhodu ve snadném čtení údajů ze všech směrů a poloh umístění rezistorů,
protože je provedeno po celém obvodu rezistorů. Pro určení hodnot odporu jednotlivých
rezistorů se používá tabulka 1.4. Značení se skládá ze tří až šesti proužků, kde první proužek
je blíže k okraji rezistorů. Označení zahrnuje dvě až tři platné číslice, dále násobitel, toleranci
a případně teplotní koeficient TKR. Příklad tohoto způsobu značení je na obr. 1.2.
Proužek
První Druhý Třetí Čtvrtý Pátý ŠestýBarva
1. číslice 2. číslice 3. číslice násobitel tolerance TKR [K-1
]
stříbrná - - - 10-2
10 % zlatá
- - - 10-1
5 % černá
0 0 0 100
- 200 . 10-6
hnědá 1 1 1 101
1 % 100 . 10-6
červená 2 2 2 102
2 % 50 . 10-6
oranžová 3 3 3 103
- 25 . 10-6
žlutá 4 4 4 104
- 15 . 10-6
zelená 5 5 5 105
0,5 % modrá
6 6 6 106
0,25 % fialová
7 7 7 107
0,1 % šedá
8 8 8 108
- bílá
9 9 9 109
- bez
barvy - - - - - Tabulka
1.4. Barevný kód značení rezistorů
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
10
Obr. 1.2. Různé způsoby značení odporu o hodnotě 1200 Ω
1.1.3.3. Číselný kód
Tento způsob značení se používá zejména pro popis rezistorů SMD pro povrchovou montáž.
Skládá se ze tří nebo čtyř číslic, přičemž první dvě nebo tři číslice představují vlastní hodnotu
odporu a poslední čislice jeho násobitel. V podstatě jde o obdobu čárového kódu.
1.1.4. Teplotní součinitel odporu rezistoru
Teplotní součinitel odporu rezistoru (TKR) umožňuje určit změnu odporu rezistoru,
způsobenou změnou jeho teploty. Udává největší poměrnou změnu odporu součástky,
odpovídající nárůstu oteplení o 1o
C, v rozsahu teplot, ve kterých je tato změna vratná.
1.1.5. Šumové napětí
Vlivem nerovnoměrného pohybu elektronů uvnitř materiálu součástky, vznikají mezi vývody
rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu. Pokud bychom tyto změny zesílili a
přivedli je jako nf signál například do reproduktoru, slyšeli bychom charakteristický zvuk,
který označujeme jako šum elektronického obvodu.
Příčinou šumu je šumové napětí, které má dvě hlavní složky. Tepelné šumové napětí lze
určit ze vztahu:
RBTkU ŠŠT
42
= (1.5)
kde:
k Boltzmannova konstanta 1,38 . 10-23
[JK-1
]
T teplota rezistoru [K]
Š
B šířka kmitočtového pásma, ve kterém bude v daném případě rezistor používán.
Druhou složkou šumového napětí je povrchové šumové napětí, které záleží na velikosti
stejnosměrného napětí na rezistoru. Udává se v mikrovoltech na 1V přiloženého napětí.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
11
Hodnota tohoto napětí je cca 1 až 10 VV /µ u uhlíkových rezistorů a cca 0,1 až 1 VV /µ u
rezistorů metalizovaných. Šumové napětí se přidává k užitečnému signálu, který prochází
obvodem. Je-li užitečný signál slabý, je obtížné ho od šumového napětí odlišit. Proto je
mnohdy velikost šumového napětí činitelem, omezujícím dosažitelnou citlivost elektronických
zařízení.
1.2. Potenciometry
Potenciometry jsou proměnné otočné rezistory. Vyrábějí se jak vrstvové, tak i drátové.
Nejběžnější jsou vrstvové potenciometry lakové, u nichž je odporová dráha tvořena lakovou
vrstvou na vytvrzené izolační podložce. Kvalitnější jsou potenciometry s odporovou drahou
tvořenou sklem nebo tvrditelnou pryskyřicí, obsahující vodivý materiál (grafit, práškové
stříbro, apod.) na izolační keramické podložce.
Konstrukčně jsou potenciometry provedené jako jednoduché (obsahují pouze jeden systém)
nebo dvojité (dva systémy ve spojených pouzdrech, ovládané samostatně uloženými osami) a
tandemové (na jedné ovládací ose jsou umístěny dva systémy).
Podle závislosti dělícího poměru MAXRR / , na úhlu natočení osy α (plnému rozsahu většinou
odpovídá úhel 300o
, rozlišujeme potenciometry s různými průběhy. Nejdůležitější je
potenciometr lineární (označovaný N) a logaritmický (označovaný G). Všimněmě si, že
logaritmický potenciometr má závislost dělícího poměru na úhlu natočení exponenciální.
Používá se k regulaci veličin, které závisí na napětí logaritmicky (např. hlasitost). Tyto
veličiny jsou pak regulovány přímo úměrně úhlu natočení osy.
Speciálními typy jsou víceotáčkové potenciometry, které mají odporovou dráhu provedenou
ve tvaru šroubovice a umožňují velice přesné nastavení požadované hodnoty odporu.
Provedení některých typů potenciometrů a průběh jejich charakteristik je uveden na obr. 1.3. a
1.4.
a) b) c)
Obr. 1.3. Vybraná provedení potenciometrů
a) lineární
b) tandemový
c) víceotáčkový
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
12
a
b
c
0 60 120 180 240 300
R/RMAX
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Obr. 1.4. Závislost dělícího poměru MAXRR / na úhlu natočení osy
a) lineární potenciometr
b) logaritmický potenciometr
c) exponenciální potenciometr
1.3. Odporové trimry
Odporové (potenciometrické) trimry se od potenciometrů liší konstrukčním provedením, které
není určeno k trvalému posouvání polohy jezdce. Odporová dráha je tvořena vrstvou
odporového materiálu stejného složení, jako u vrstvových potenciometrů.
1.4. Kondenzátory
Vedle rezistorů jsou kondenzátory nejčastěji používanou pasivní součástkou v elektronice.
Používají se jako vazební členy v tranzistorových zesilovačích, v laděných nízkofrekvenčních
i vysokofrekvenčních obvodech nebo také k vyhlazení usměrněného napětí v napájecích
zdrojích apod.
Základní vlastností kondenzátoru je jeho kapacita C, to je schopnost akumulovat na svých
elektrodách náboj Q při určitém napětí U.
Mezi kapacitou, nábojem a napětím na kondenzátoru platí:
U
Q
C = (1.6)
kde:
C kapacita kondenzátoru [F]
Q elektrický náboj [C]
U napětí na kondenzátoru [ ]V
α[o
]
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
13
Vzhledem k tomu, že mezi nábojem Q na daném kondenzátoru a jeho proudem I platí vztah:
dt
dQ
i = (1.7)
jsou napětí U a proud I na kondenzátoru svázány vztahem:
dt
du
Ci = (1.8)
Odtud vyplývá, že proud kondenzátorem je přímo úměrný změně napětí na jeho svorkách.
Připojíme-li v daném okamžiku na kondenzátor stejnosměrné napětí, nastane přechodový děj,
při kterém kondenzátorem proteče proud potřebný k jeho nabití (popřípadě vybití) na dané
napětí podle uvedeného vzorce. Pokud nebude dále kondenzátor nějakým způsobem vybíjen
(například připojeným obvodem nebo vnitřním svodem kondenzátoru), proud do něj po dobití
již dále nepoteče. To znamená, že kondenzátor nepropouští stejnosměrné napětí, což se v
praxi hojně využívá (oddělovací kondenzátor).
Naproti tomu v obvodech střídavého napětí kondenzátorem prochází proud (viz. 1.9)
Kondenzátor přitom klade střídavému proudu střídavý odpor, označovaný jako kapacitní
reaktance CX .
fCC
XC
πω 2
11
== (1.9)
Z uvedeného vzorce je patrné, že s rostoucí frekvencí f [Hz] reaktance CX [Ω] kondenzátoru
C [F] klesá podle hyperboly. Na kondenzátory lze tedy zjednodušeně pohlížet jako na
frekvenčně závislé odpory a lze je proto využívat například jako frekvenčně závislé děliče
napětí.
Dále stojí za zmínku uvést, že u ideálního kondenzátoru předbíhá maximum proudu
maximum napětí o 90°.
Je-li totiž:
tUu m ωsin= , (1.10)
pak musí být:
tUC
dt
du
Ci m ωω cos== (1.11)
V důsledku toho nedochází v ideálním kapacitoru k tepelným (Jouleovým) ztrátám, protože
střední hodnota činného výkonu za periodu je nulová. V případě reálného kondenzátoru
(například s nežádoucím vnitřním odporem) se uvedený fázový posuv může lišit od ideálního
případu (90°) řádově o jednotky stupňů. Důsledkem jsou tepelné ztráty, které rostou s rostoucí
frekvencí a protékajícím proudem. I tak se ale kondenzátor (ve srovnání s rezistorem)
výhodně uplatňuje jako „odpor" pro střídavý signál.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
14
1.4.1. Energie elektrostatického pole kondenzátoru
Kondenzátor s kapacitou C se nabije na napětí U přivedením náboje Q. Energie
elektrostatického pole W [J] potom bude dána prací potřebnou k přenesení celkového náboje.
22
2
CUQU
W == (1.12)
Dodaná energie se spotřebuje na polarizaci dielektrika a zůstane v něm ve formě energie elektrostatického
pole. Nabitý kapacitor se tak stává zdrojem elektrické energie.
1.4.2. Konstrukce kondenzátorů
Vlastní konstrukce kondenzátoru je ve většině případů tvořena dvěmi vodivými elektrodami,
které jsou navzájem odděleny dielektrikem. Pro určení kapacity kondenzátoru je nutno
vycházet z jeho geometrických rozměrů (ploše a vzdálenosti elektrod) a parametrů
dielektrika, tj. permitivity vakua (ε0=8,85 . 10-12
F/m) a relativní permitivity materiálu
dielektrika (εr), která udává, kolikrát je tato reálná permitivita větší než permitivita vakua.
Způsob dosažení co největší kapacity při co nejmenších rozměrech (pro dané provozní
podmínky) lze nejjednodušeji vysvětlit ze vzorce pro deskový kondenzátor:
d
S
C rεε0= (1.13)
kde:
S plocha desek [m2
]
D vzdálenost mezi deskami [m]
Je patrné, že kapacita C roste s rostoucí relativní permitivitou εr a plochou desek S a s
klesající vzdáleností desek d. Konkrétní hodnota kapacity je tedy dána geometrickou složkou
určenou rozměry S, d a dielektrickou složkou danou hodnotou relativní permitivity εr. Pokud
by bylo dielektrikum tvořeno vakuem, byla by celá hodnota kapacity tvořena jenom
geometrickou složkou. Elektrické parametry by byly ideální, ale poměr kapacity vůči objemu
kondenzátoru by byl velmi malý. Proto výrobci zvyšují kapacitu vkládáním dielektrika o
relativně vysokých hodnotách εr. To však má své meze, protože materiály o velmi vysoké
hodnotě εr často vykazují nelineární a nestabilní chování a zároveň zavádějí omezení na
vysokých frekvencích.
Zvýšení kapacity použitím co možná nejtenčího dielektrika je omezeno jeho elektrickou
pevností. Kondenzátory na vyšší provozní napětí musí mít dielektrikum tlustší, jinak by
mohlo dojít k jeho proražení. Zvyšování plochy desek je omezeno jen praktickými rozměry
kondenzátoru. Aby byly rozměry co nejmenší, vyrábějí se kondenzátory ve formě svitků
dlouhých a tenkých fólií (vytvořených vrstvami elektroda—dielektrikum—elektroda) nebo
tenkých destiček uspořádaných paralelně do bloků.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
15
d
S
vývody kondenzátoru
Obr. 1.5. Deskový kondenzátor
Na základě volby použitého dielektrika je možné provést základní rozdělení nejčastěji
používaných kondenzátorů.
1.4.2.1. Kondenzátory s plastovým dielektrikem
Tyto kondenzátory jsou tvořeny svitky fólií a mají relativně velké rozměry, neboť jejich
dielektrikum (polyester, polystyren, polypropylen, teflon atd.) má relativní permitivitu εr řádu
jednotek. Vyznačují se ovšem velkou přesností kapacity, dobrou teplotní stabilitou, nízkým
svodovým proudem (velkým izolačním odporem) a dobrými vysokofrekvenčními vlastnostmi
(mají velkou geometrickou složku kapacity). Maximální hodnoty kapacity jsou řádově
jednotky až desítky µF, maximální hodnoty provozního napětí až 1 kV.
1.4.2.2. Keramické kondenzátory
Keramické kondenzátory jsou oblíbené pro své malé rozměry. Těch je dosahováno použitím
dielektrika s velmi vysokou permitivitou (εr až do řádu 104
). Přesnost hodnoty kapacity i
teplotní stabilita kapacity je nízká, velikost svodového proudu je průměrná. Jsou dostupné přibližně
do jednotek µF a do velmi vysokých hodnot jmenovitého napětí (až 30 kV). Mezi
jednotlivými typy mohou být obrovské rozdíly co do kvality. Hrubým ukazatelem kvality je
velikost kapacity na jednotku plochy dielektrika. Je to dáno tím, že dielektrika s velmi vysokou
hodnotou relativní permitivity (typicky 100 < εr <10 000) obvykle vykazují značně
nelineární závislost dielektrických vlastností na intenzitě elektrického pole včetně hystereze a
dalších nestabilit (například teplotních a frekvenčních). Kondenzátory s těmito dielektriky
jsou vhodné jen pro úlohy v nízkofrekvenčních aplikacích (blokovací a filtrační účely). Při
aplikacích keramických kapacitorů s malými rozměry a velkou kapacitou je tedy na místě
obezřetnost. V případě vyšších nároků stojí za to přesvědčit se o stabilitě parametrů v
katalogu výrobce. Jinak by se mohlo klidně stát, že pro danou frekvenci (například kolem 1
MHz) již vykazuje použitá součástka zanedbatelnou kapacitu. Naproti tomu existují
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
16
keramické kondenzátory s nízkou hodnotou εr (εr < 100), na něž lze klást i náročnější
požadavky. Jedná se většinou o kondenzátory s kapacitou pod 1 nF.
1.4.2.3. Elektrolytické kondenzátory
Tyto kondenzátory se vyznačují největšími hodnotami kapacit na jednotku objemu a
přijatelnou cenou. Toho je dosaženo použitím velmi tenkého (velmi malá hodnota d)
porézního (velká hodnota S) dielektrika se současně velkou elektrickou pevností a typickou
hodnotou relativní permitívity εr ~ 10. Kontakt katody (záporný pól) tvoří kovové pouzdro
kondenzátoru nebo kovová fólie připevněná na pouzdro. Vlastní katodu tvoří vodivý
elektrolyt (kapalný nebo pevný) ve funkci velkoplošného přívodu proudu k dielektriku. To je
tvořeno kysličníkem kovu (například hliníku nebo tantalu), který se vytváří na povrchu anody
(kladného pólu) působením protékajícího stejnosměrného proudu. Jedná se o takzvané
formování dielektrika anodickou oxidací. Anoda je přitom tvořena kovovou fólií (například
hliníkovou nebo ze spékaného práškového tantalu). Anoda a katoda jsou odděleny izolační
vrstvou, která zároveň slouží jako nosné médium pro elektrolyt (separátor).
Kondenzátor je nutné správně polarizovat, tj. vyšší (stejnosměrný) potenciál (+) přivádět
na anodu a nižší (-) na katodu. Pak dochází k formování dielektrika při současném nárůstu
kapacity. Přesnost hodnoty kapacity je z těchto důvodů špatná (například -10 % až +100 %).
Pokud polarizaci otočíme, nastane odformování dielektrika, které je spojeno s tvorbou plynů a
tepla a při vyšší hodnotě přiloženého napětí následuje až exploze součástky. Rozsah škod je
dán konkrétní konstrukcí. V obvodech střídavého napětí se proto používají takzvané
bipolární elektrolytické kondenzátory, které si lze zjednodušeně představit jako dva
antisériově zapojené (výše popsané) elektrolytické kapacitory. Teplotní stabilita kapacity je
nízká, svodový proud je značný, časová stálost parametrů je nedobrá. Po nabití na dané
stejnosměrné napětí protéká i nadále kondenzátorem, v mnohých aplikacích nezanedbatelný,
svodový proud. I přes uvedené nepříznivé vlastnosti se elektrolytických kapacitoru hojně
užívá, a to zejména tam, kde je zapotřebí velmi vysoká hodnota kapacity s malými nároky na
přesnost a stabilitu (například u filtrů ve zdrojích stejnosměrného napětí).
a) b) c)
Obr. 1.6. Provedení kondenzátorů
a) plastový
b) keramický
c) elektrolytický
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
17
1.4.2.4. Superkondenzátor
Superkondenzátor je perspektivním akumulátorem energie, schopným rychle akumulovat a
následně odevzdat velké množství elektrické energie. Bez problémů snáší opakované nabíjení
a vybíjení vysokými proudy, má dlouhou životnost, nevadí mu nízké provozní teploty a
nedochází u něj k paměťovému efektu.
Superkondenzátor je tak předurčen k nasazení v automobilové technice, kde je schopen
pojmout brzdnou energii, která je následně využitelná ke startu spalovacího motoru, nebo
urychlení vozidla. Nejnovější vyvíjené superkondenzátory mají elektrody tvořené z
pórovitého uhlíku, jehož vnitřní povrch má plochu až 2000 m2
v jednom gramu. Tím dochází
k mnohonásobnému nárůstu kapacity, která může být ještě zvýšena umístěním velkého
množství uhlíkových nanotrubic do jednoho celku. Výše uvedené výhody těchto
superkondenzátorů se začínají využívat především v automobilovém průmyslu. Elektromobily
s tímto zdrojem energie by byly schopné mít dostatečný výkon při stoupání v těžkém terénu
díky schopnosti podat maximální výkon během okamžiku, což by se projevilo i na prudké
akceleraci. To jsou oblasti, kde klasické baterie ztrácejí dech, což je handicap elektromobilů.
Velké využití těchto "malých baterií" však v budoucnu může být i v běžné spotřební
elektronice, kde s rostoucí integrací obvodů klesá i napájecí napětí i spotřeba. Výdrž by sice
byla nižší než u chemických akumulátorů, ale schopnost neuvěřitelně rychlého nabití v řádu
sekund je lákavá.
1.4.2.4.1. Struktura a princip funkce superkondenzátoru
Zatímco na první pohled vypadají zapouzdřené superkondenzátory jako zvláštní baterie (viz
obr. 1.7 superkondenzátor Maxwell BOOSTCAP), jejich funkce se více podobá "klasickým"
kondenzátorům založené na elektrostatickém principu uložení náboje. Hlavní rozdíl je však v
použití vlastností elektrické dvouvrstvy. Jedná se o vytvoření elektrochemické dvouvrstvy po
přiložení napětí na elektrody ponořené ve vodivé tekutině.
Obr. 1.7. Superkondenzátor Maxwell BOOSTCAP 450F/2,5V
Typická dvouvrstvá struktura superkondenzátoru je složena z následujících částí:
• kladná elektroda tvořená hliníkovou fólií
• aktivní uhlík
• separátor
• aktivní uhlík
• záporná elektroda tvořená hliníkovou fólií
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
18
Obr. 1.8. Typická struktura superkondenzátoru
V nenabitém stavu jsou částice s nenulovým nábojem (ionty) rovnoměrně rozloženy ve
vodivé tekutině, tekutém nebo gelovém elektrolytu, který se nachází mezi elektrodami. Po
přiložení napětí na elektrody se začnou záporné ionty pohybovat ke kladné elektrodě a naopak
kladné ionty k záporné elektrodě. Na obou elektrodách se tak vytvoří dvouvrstva se
zrcadlovým rozložením elektrického náboje. Použitelné napětí je omezeno hodnotou
disociačního napětí. Průrazné napětí elektrické dvouvrstvy je velmi nízké a tak typické
provozní napětí superkondenzátorové buňky obvykle nepřesahuje 2,3 V.
Vhodným materiálem pro aktivní elektrody (vnitřní strana hliníkových vnějších kontaktních
elektrod) superkondenzátoru je aktivní uhlík. Důvodem je velká dosažitelná plocha
skutečného povrchu (vysoká poréznost), chemická netečnost, elektrická vodivost a relativně
nízká cena. Lze dosáhnout povrchu elektrod až 2000 m2
/g, což při extrémně malé tloušťce
dvouvrstvy (do 10 nm) znamená kapacitu řádově tisíců Farad ve velmi malém objemu.
Současně také zaručuje velmi nízký odpor přívodních elektrod. Tato vlastnost zaručuje
vysokou rychlost nabíjecího a vybíjecího procesu a nízké ohmické ztráty při provozu.
Například superkondenzátor s parametry 600 F / 2,3 V má rozměry 4 x 6 x 9 cm a váží pouze
290 g. Jeho měrný výkon (vztažený k objemu i hmotnosti) je tak v porovnání s
elektrolytickým kondenzátorem přibližně 100 x vyšší.
1.4.2.4.2. Vlastnosti a parametry superkondenzátorů
Jak již bylo zmíněno výše, maximální napětí superkondenzátoru závisí na druhu použitého
elektrolytu a pohybuje se v rozmezí 1,2 - 3 V. Takové napětí je samozřejmě pro použití např.
v automobilu, tedy obecně v oblasti výkonových zařízení, příliš nízké a tak je nutno spojovat
více článků do série. Tím se dosáhne vyššího jmenovitého napětí superkondenzátoru za cenu
snížení jeho celkové kapacity.
Jako příklad lze uvést superkondenzátorovou baterii od firmy EPCOS s parametry 100 F/
56V. Baterie je řešena sériovým spojením 27 superkondenzátorů s parametry 2,3 V / 2700 F s
elektronickým děličem napětí. Některé firmy (SIEMENS, MAXWELL TECHNOLOGIES,
apod.) vyrábějí sérioparalelní kombinace jako jeden mechanický celek. Na ukázku uveďme
např. modul SIEMENS/MATSUSHITA 100 F / 56 V. Tento superkondenzátor má vnitřní
odpor 0.15 Ω a specifický výkon 80 W/kg. Pro představu lze uvést, že tento plně nabitý prvek
může dodávat po dobu 5 s výkon 12,5 kW. Výrobce zaručuje životnost větší než milión cyklů.
Přední výrobci superkondenzátorů předpokládají, že druhá generace výrobků bude dosahovat
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
19
hustotu energie až 15 Wh/kg a výkonovou hustotu do 4000 W/kg. Takové superkondenzátory
již můžou být vhodným typem nosiče energie pro hybridní automobil.
1.4.3. Značení kondenzátorů
Základní jednotkou použitou pro značení kondenzátorů je 10-12
F, tedy pikofarad [pF]. Zcela
jednotné značení hodnot kondenzátorů různými výrobci bohužel neexistuje. Hodnota je
většinou udána alfanumericky nebo číselným kódem, většinou tří čísel, kdy první číslice
udává první číselnou hodnotu, druhá číslice druhou a třetí násobitel 10n
. Dále může být udána
tolerance (písmenem, viz. značení rezistorů), druh dielektrika (barevným kódem), max.
dovolené napětí (číselný kód). Hodnota bývá vždy vztažena k základní jednotce 1 pF,
s výjimkou kondenzátorů elektrolytických, které mají na svém pouzdru většinou přímo
uvedenu konkrétní hodnotu.
Příklady značení:
22 nebo 220 jedná se o kondenzátor s kapacitou 22 pF (22 pF . 100
)
22n nebo 223 jedná se o kondenzátor s kapacitou 22 nF (22 pF . 103
)
22µF nebo 22M jedná se o kondenzátor s kapacitou 22 µF (22 pF . 106
)
1.4.4. Další charakteristické vlastnosti kondenzátorů
1.4.4.1. Tolerance jmenovité kapacity
Tolerance jmenovité kapacity kondenzátoru je největší odchylka skutečné kapacity
kondenzátoru od jmenovité kapacity vyjádřená v procentech jmenovité kapacity. Pro
kondenzátory, vyráběné v řadách E6, E12 a E24, platí stejné hodnoty tolerance jako u
rezistorů.
1.4.4.2. Jmenovité napětí a provozní napětí kondenzátoru
Jmenovité napětí udává výrobce kondenzátoru pro jednotlivé typy v katalogu, případně je na
jednotlivých součástkách vyznačuje přímo ve voltech nebo kódem.
Provozní napětí je největší napětí, které může být trvale na kondenzátor připojeno.
Kondenzátory pro stejnosměrné napětí mohou mít superponovánu určitou střídavou složku,
ale součet napětí smí dosáhnout nejvýše napětí provozního. U elektrolytických kondenzátorů
musí být stejnosměrné napětí vyšší než maximální hodnota napětí střídavého, protože při
provozu nesmí dojít k poklesu napětí na nulu nebo dokonce k přepólování elektrolytického
kondenzátoru.
1.4.4.3. Ztrátový činitel tgδ kondenzátoru
Ztráty energie vznikající v kondenzátoru je možné rozdělit na dvě základní části:
• ztráty dielektrické (závislé na kmitočtu)
• ztráty vzniklé vlivem svodu mezi elektrodami
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
20
V náhradním schématu reálného kondenzátoru (viz. obr. 1.9.) bereme v úvahu přiřazení tzv.
„ztrátového odporu“ RS nebo RP k ideálnímu kondenzátoru. Uvedenou problematiku je možné
popsat pomocí tzv. duálních obvodů, což umožňuje nahradit sériové spojení rezistoru a
kondenzátoru nebo rezistoru a indukčnosti rovnocenným paralelním zapojením jiného
rezistoru a jiného kondenzátoru nebo indukčnosti, přičemž tato rovnocennost spočívá v tom,
že oba obvody mají při určitém kmitočtu mezi svorkami stejnou impedanci. Z vektorových
diagramů na obr. 1.9. pak vyplývá, že jím odpovídající dvojice obvodů má stejnou impedanci
IUZ /= a stejný fázový posun ϕ . Tím je splněna podmínka pro duálnost těchto obvodů.
Vyjdeme-li tedy například z paralelního náhradního obvodu, složeného z bezeztrátového
kondenzátoru CP, s přiřazeným ztrátovým odporem RP (viz. obr. 1.9a.), můžeme vypočítat
složky sériového náhradního obvodu kondenzátoru (viz. obr. 1.9b.) podle vztahů:
ϕ2
1 tg
R
R P
S
+
= (1.14)
ϕ2
1
1
tg
C
C P
S
+
= (1.15)
kde ϕ je fázový posuv mezi proudem a napětím reálného kondenzátoru.
Fázový posuv ϕ jakostních kondenzátorů, vyráběných pro použití při vyšších kmitočtech se
blíží 90o
a výraz 12
>>ϕtg . Z tohoto důvodu je možné pro kondenzátory s malými ztrátami
uvedené vztahy dále zjednodušit na tvar:
ϕ2
tg
R
R P
S ≅ (1.16)
PS CC ≅ (1.17)
a) b)
Obr. 1.9. Náhradní obvod reálného kondenzátoru
a) s paralelním ekvivalentním ztrátovým odporem
b) se sériovým ekvivalentním ztrátovým odporem
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
21
Velikost ztrát, vznikajících v kondenzátoru posuzujeme pomocí ztrátového činitele δtg , který
je udáván pro kondenzátory jednotlivých typů v katalogu. Z obr. 1.9. vyplývá:
PPC
R
RCI
I
tg
ω
δ
1
== (1.18)
SS
C
R
RC
U
U
tg ωδ == (1.19)
Příslušný úhel δ, nazývaný jako ztrátový úhel, je zřejmý z obr. 1.9. Je to úhel, o který je
fázový posun ϕ skutečného kondenzátoru menší než 90o
. Jak vyplývá z vektorových
diagramů na obr. 1.9., je
ϕ
δ
tg
tg
1
= .
Proto platí:
δ2
1
1
tg
R
R P
S
+
= (1.20)
δ2
1 tg
C
C P
S
+
= (1.21)
Vzhledem ke svému fyzikálnímu významu má být ztrátový činitel δtg co nejmenší. Jeho
hodnota se uvádí vždy pro určitý kmitočet a teplotu. Nejmenší ztrátový činitel mají
kondenzátory vzduchové (cca 10-5
až 10-6
) a keramické (cca 10-4
). Největší ztrátový činitel
mají naopak kondenzátory elektrolytické (cca 0,1 až 0,3) .
Při vzrůstu teploty se ztrátový činitel elektrolytických kondenzátorů mírně zmenšuje. Velmi
nepříznivé je prudké zvětšení ztrátového činitele při nízkých teplotách znemožňující použití
pro teploty nižší než asi -60 o
C.
Reciprokou hodnotou ztrátového činitele je činitel jakosti Q
SS
PP
RC
RCtg
tg
Q
ω
ωϕ
δ
11
==== (1.22)
1.4.4.4. Teplotní součinitel kapacity
Teplotní součinitel kapacity je definován stejně jako pro rezistor a udává změnu kapacity
CC /∆ vztaženou na změnu teploty o 1K. Velikost i znaménko teplotního činitele závisí na
druhu použitého dielektrika. Keramické kondenzátory mají TKC řádově 10-5
K-1
, plastové 10-3
K-1
.
1.4.4.5. Indukčnost kondenzátoru
Přívody a elektrody kondenzátorů mají vlastní indukčnost, která se nepříznivě projevuje při
použití v obvodech s vysokými kmitočty. Spolu s kapacitou kondenzátoru vytváří indukčnost
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
22
sériový rezonanční obvod, který se při rezonančním kmitočtu chová jako odpor. Fázový
posuv mezi napětím a proudem je nulový, ale nad rezonančním kmitočtem pak dochází
k fázovému posuvu indukčního charakteru. Podle druhu provedení kondenzátoru je
rezonanční kmitočet cca 106
až 1010
Hz. Celkové náhradní schéma kondenzátoru je uvedeno
na obr. 1.10.
RP
C
RS
L
Obr. 1.10. Celkové náhradní schéma kondenzátoru
1.5. Cívky
Cívky jsou dvojpólové součástky, konstruované takovým způsobem, aby vytvořily vlastní
indukčnost L definované velikosti. Cívku vytvářejí závity vodiče, které jsou uspořádány do
jedné nebo několika vrstev. Prostor, který závity obepínají, má obvykle kruhový, čtvercový
nebo obdélníkový průřez. Indukčnost cívek závisí na počtu závitů, jejich geometrickém
uspořádání a na magnetických vlastnostech prostředí, které závity obepínají, i které cívky
obklopuje.
Podle konstrukce je možné cívky rozdělit na dvě velké skupiny:
• cívky bez jádra (vzduchové)
• cívky s jádrem (většinou z magneticky vodivého materiálu)
Prochází-li elektrický proud I uzavřeným obvodem (představme si jej pro jednoduchost jako
jednu uzavřenou smyčku), vzniká magnetický tok (φ ), pro který platí:
IL=φ (1.23)
kde:
φ velikost magnetického toku [ ]Wb (Weber)
L vlastní indukčnost smyčky [ ]H (Henry)
I proud protékající smyčkou [ ]A
Vytvoříme-li cívku z N výše zmíněných smyček (závitů), bude při stejném protékajícím
proudu výsledný indukční tok N – krát větší a indučnost L se zvětší:
II
N
L
ψφ
== (1.24)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
23
Podle Faradayova zákona elektromagnetické indukce časová změna magnetického toku
indukuje v uzavřené vodivé smyčce napětí (případně proud) nezávisle na tom, jakým způsobem
byla tato změna vyvolána (tj. pohybuje-li se smyčka v časově stálém magnetickém poli,
nebo mění-li se toto magnetické pole ve stojící smyčce).
dt
di
L
dt
d
ui −=−=
φ
(1.25)
Záporné znaménko ve zmíněném zákonu respektuje Lenzovo pravidlo, které říká, že indukovaný
proud (a tudíž i napětí) působí proti změně, která jej vyvolala. Jinými slovy, cívka brání
změnám proudu.
Ze vztahu (1.25) je zřejmé, že napětí přiložené na svorky cívky způsobuje časový nárůst
proudu cívkou. Čím větší bude indukčnost L, tím pomaleji bude proud narůstat pro dané
napětí U. Cívka má tedy indukčnost jednoho Henry, indukuje-li se v ní napětí jednoho voltu
při rovnoměrné změně proudu o jeden ampér za jednu sekundu.
Připomeňme si, že v případě kondenzátoru tomu bylo z hlediska proudu a napětí naopak —
proud kondenzátorem způsobil časovou změnu napětí na jeho svorkách. Máme tedy k
dispozici dvě navzájem analogické součástky vycházející ze dvou analogických veličin.
Kapacity vyplývající z popisu elektrického pole a indukčnosti vyplývající z pole
magnetického.
Po připojení cívky (například v sérii s rezistorem) na stejnosměrné napětí dochází k
přechodovému ději, kdy se v cívce indukuje napětí s polaritou působící proti napětí zdroje a
proud proto narůstá na svou maximální hodnotu (ustáleného stavu) jen postupně. Výkon
dodávaný cívce se nemění v teplo, ale spotřebovává se na vytváření magnetického pole cívky.
Po rozpojení obvodu, tj. po přerušení proudu cívkou, se nahromaděná magnetická energie
uvolní zpět. V důsledku platnosti Lenzova pravidla je to spojeno s nárůstem napětí na cívce,
které může mít pro spínač nepříjemné následky (vznik elektrického oblouku, proražení a
podobně).
V případě připojení cívky na zdroj střídavého napětí, klade cívka střídavému proudu střídavý
odpor označovaný jako induktivní reaktance LX :
fLLX L πω 2== (1.26)
Z uvedeného vzorce je zřejmé, že proudové a napěťové poměry jsou u ideální cívky opačné
než u ideálního kondenzátoru. Maximum napětí tedy předbíhá maximum proudu o 90o
.
1.5.1. Energie magnetického pole cívky
Pro vytvoření magnetického toku musí elektrický proud vykonat práci. V prostoru okolo vodiče
i v samotném vodiči se nahromadí určitá energie. Tato energie je potřebná k vytvoření
magnetického pole a zůstává v něm nahromaděna.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
24
Pro energii magnetického pole cívky pak platí:
2
2
LI
W = (1.27)
1.5.2. Charakteristické vlastnosti cívek
1.5.2.1. Vlastní a vzájemná indukčnost
Jak již bylo uvedeno v úvodní kapitole, je vlastní indukčnost cívky L definována jako
konstanta úměrnosti mezi spřaženým magnetickým tokem ψ a proudem I. Podle
Hopkinsonova zákona dále můžeme psát:
mm
m
R
NI
R
U
==φ (1.28)
kde:
Um magnetomotorické napětí [Az]
Rm magnetický odpor (reluktance)
S
l
Rm ⋅=
µ
1
µ permeabilita magnetického obvodu rµµµ ⋅= 0
0µ 7
104 −
⋅π [Hm-1
]
rµ relativní permeabilita prostředí [-]
l střední délka magnetického obvodu [m]
S průřez magnetického obvodu [m2
]
Dosazením do vztahu (1.28), pak dostáváme pro vlastní indukčnost:
lSN
R
N
L
m
µ2
2
== (1.29)
Vzájemná indukčnost M je indukčnost mezi dvěmi cívkami. Prochází-li celý magnetický tok
oběmi cívkami lze definovat následující vztah:
21max LLM = (1.30)
Protože spřažení toku cívek není dokonalém platí u skutečně vzájemně vázaných cívek
maxMM < a tedy:
21max LLkMkM == (1.31)
kde k je tzv. činitel vazby ( 1≤k ).
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
25
1.5.2.2. Náhradní schéma cívky
Skutečná cívka se v obvodu střídavého proudu nechová jako ideální indukčnost, kde vektor
napětí předbíhá vektor proudu o 90o
. Vlivem ztrát, vznikajících v cívce je výsledný fázový
posuv mezi napětím a proudem menší o úhel δ, který označujeme jako ztrátový úhel cívky.
Ztráty bereme v úvahu podobně jako u kondenzátorů, přiřazením ztrátového odporu RS nebo
RP k bezeztrátové cívce LS nebo LP. Příslušné náhradní obvody jsou uvedeny na obr. (1.11.).
a) b)
Obr. 1.11. Náhradní obvod reálné cívky
a) paralelní ztrátový odpor
b) sériový ztrátový odpor
Vzhledem k tomu, že jde opět o duální obvody, je možné pro vzájemné přepočty použít
následující vztahy:
)1( 2
ϕtgRR SP += (1.32)
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+=
ϕ2
1
1
tg
LL SP (1.33)
Cívky, ve kterých vznikají malé ztráty mají fázový posuv ϕ blízký 90o
a výraz 12
>>ϕtg . Pro
takové cívky můžeme předcházející vztahy zjednodušit následně:
ϕ2
tgRR SP ≅ (1.34)
LLL SP ≅≅ (1.35)
Vektorové diagramy na obr. 1.9 umožňují určit ztrátový činitel cívky tgδ.
S
S
L
R
L
R
U
U
tg
ω
δ == (1.36)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
26
P
P
L
R
R
L
I
I
tg
ω
δ == (1.37)
Tangens úhlu ϕ , který je převrácenou hodnotou ztrátového činitele, představuje fyzikální
veličinu nazývanou činitel jakosti cívky Q. Rozborem vektorových diagramů obdržíme
vztahy:
S
S
R
L
R
L
U
U
Q
ω
== (1.38)
P
P
R
L
L
R
I
I
Q
ω
== (1.39)
Při použití vztahů (1.38) a (1.39) dostanou vztahy pro přepočet sériového náhradního obvodu
cívky na paralelní velmi často v praxi používané tvary:
( )2
1 QRR SP += (1.40)
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+= 2
1
1
Q
LL SP (1.41)
které lze pro 12
>>Q zjednodušit na vztahy:
2
QRR SP ≅ (1.42)
LLL SP ≅≅ (1.43)
Pro činitel jakosti Q pak platí:
SR
L
Q
ω
= (1.45)
Obr. 1.12. Závislost činitele jakosti cívky na kmitočtu
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
27
Na obr 1.12. je uvedena závislost činitele jakosti cívky na kmitočtu. Průběh je ovlivněn
nelinearitou seriového odporu cívky, mimo jiné vlivem dielektrických ztrát v jádru cívky a
vlivem zvětšování odporu vinutí s rostoucím kmitočtem (skin efektem). Úplné náhradní
schéma cívky je uvedeno na obr. 1.13.
Obr. 1.13. Úplný náhradní obvod cívky
RSS kmitočtově nezávislá složka odporu
Rj odpor charakterizující ztráty v jádře cívky
Rd odpor prezentující dielektrické ztráty
RV vliv rozptylu energie do okolního prostoru
RSK vliv skin efektu
1.5.3. Provedení cívek
1.5.3.1. Vzduchové cívky
Vzduchové cívky jsou konstruovány pro indukčnosti řádově mikrohenry, vyjímečně jednotek
milihenry. Jsou používány převážně ve vf obvodech s kmitočtem řádově až stovky Hz.
Použití v nf obvodech je tam, kde je kladen požadavek značné linearity indukčnosti při
proudových změnách (např. kmitočtová vyhýbka u reproduktorových soustav).
a) b) c)
Obr. 1.14. Různá provedení vzduchových cívek
a) samonosná jednovrstvá cívka
b) plošná cívka
c) vzduchová vícevrstvá cívka s vinutím na kostře
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
28
Cívky jsou realizované buď jako samonosné, případně se při větším počtu závitů vinou na
kostřičky z izolačního materiálu. Speciální skupinu tvoří tzv. plošné cívky, které jsou
vytvořeny vyleptáním měděné fólie, tvořící obrazec plošného spoje do tvaru závitu. Jejich
oblast použití spadá především do vf obvodů v přijímací technice.
1.5.3.2. Cívky s jádrem
Zvětšení indukčnosti cívky lze dosáhnout při srovnatelných rozměrech zvětšením
magnetického toku (snížením magnetického odporu). Toho lze dosáhnout, jestliže se
magnetický tok vytvořený v cívce uzavírá přes jádro z magneticky vodivého materiálu. Podle
druhu použitého jádra dosahuje maximální indukčnost cívek s jádrem několik desítek až
stovek mH (cívky pro použití ve vysokofrekvenčních obvodech), případně až několik desítek
henry (nízkofrekvenční tlumivky). Jádra jsou vyráběna z magneticky značně vodivých
materiálů s malými hysterezními ztrátami. Elektrická vodivost jader musí být naopak co
nejmenší, aby ztráty vznikající v jádře průchodem vířivých proudů byly malé.
a) b)
c) d)
Obr. 1.15. Cívky s magnetickým jádrem
a) provedení cívek
b) cívka na magnetickém jádru
c) hrníčková jádra
d) jednofázová nf tlumivka
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
29
Pro cívky s indukčností do několika set mikrohenry se používají jádra šroubová. Jádro má
tvar šroubu s jemným závitem a lze ho šroubováním zasouvat do prostoru cívky a tím
zvětšovat indukčnost. Cívky s větší indukčností využívají jader hrníčkových, která jsou
složena ze dvou stejných částí miskového tvaru. Jádro po složení zcela obklopuje cívku, takže
rozptyl magnetického toku do okolí jádra je velmi malý. Cívka je navinuta na izolační kostře,
která je nasunuta na středním sloupku jádra.
Nízkofrekvenční tlumivky se používají zejména ve filtračních článcích stejnosměrných
napájecích zdrojů. Jsou realizovány pomocí jádra tvořeného transformátorovými plechy,
jejichž magnetický obvod je přerušen vzduchovou mezerou. Tato mezera omezuje možnost
přesycení magnetického obvodu vlivem procházející stejnosměrné složky proudu.
1.5.4. Výpočet indukčnosti cívek
Pro výpočet indukčnosti jednovrstvé vzduchové cívky (obr. 1.14) platí upravený Nagaokův
vztah:
32
2
10−
⋅= N
l
D
kL (1.46)
kde:
L indukčnost cívky [ ]Hµ
k konstanta zohledňující poměr lD/ [ ]−
D průměr cívky [ ]cm
B délka cívky [ ]cm
N počet závitů [ ]−
Obr. 1.16. Jednovrstvá cívka bez jádra
Pro výpočet indukčnosti několikavrstvové válcové cívky (obr. 1.17.) lze uvést například:
cba
Na
L
1096
320 22
++
= (1.47)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
30
kde:
L indukčnost [ ]mH
a,b,c rozměry (viz. 1.15) [ ]cm
Obr. 1.17. Několikavrstvá cívka bez jádra
Pro výpočet indukčnosti cívek se šroubovými jádry se využívá vztahu:
0LL Cµ= (1.48)
kde:
Cµ permeabilita materiálu použitého jádra
0L indukčnost cívky bez jádra
Indukčnost cívek s feritovými hrníčkovými jádry se vypočte pomocí činitele indukčnosti jádra
LA , který udává indukčnost (obvykle v nH ), jaké se dosáhne na daném jádře jedním závitem
vinutí.
2
NAL L= (1.49)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
31
Shrnutí pojmů 1.
Klíčová slova:
Rezistory, potenciometry, odporové trimry, kondenzátory, cívky.
Mezi základní pasivní součástky, které jsou používány v elektronických obvodech, patří rezistory,
kondenzátory a cívky.
Rezistory jsou elektronické součástky, jejichž základní požadovanou vlastností je elektrický
odpor žádané velikosti. Při průtoku daného proudu I vzniká na rezistoru úbytek napětí U,
přímo úměrný hodnotě odporu R. Pokud bychom na rezistor přiložili napětí U, protekl by jím
proud I tím menší, čím větší by byla jeho hodnota odporu R. Podle konstrukčního provedení
je dělíme na dvě velké skupiny:
• rezistory se dvěma vývody (většinou pevné)
• rezistory s více než dvěma vývody (rezistory s odbočkami, odporové trimry a
potenciometry)
Nezávisle na předchozím dělení můžeme z technologického hlediska rozdělit rezistory na:
• vrstvové (odporový materiál ve formě vrstvy)
• drátové (vinuté odporovým drátem)
Vedle rezistorů jsou kondenzátory nejčastěji používanou pasivní součástkou v elektronice.
Používají se jako vazební členy v tranzistorových zesilovačích, v laděných nízkofrekvenčních
i vysokofrekvenčních obvodech nebo také k vyhlazení usměrněného napětí v napájecích
zdrojích, apod. Základní vlastností kondenzátoru je jeho kapacita C, to je schopnost
akumulovat na svých elektrodách náboj Q při určitém napětí U.
Cívky jsou dvojpólové součástky, konstruované takovým způsobem, aby vytvořily vlastní
indukčnost L, definované velikosti. Cívku vytvářejí závity vodiče, které jsou uspořádány do
jedné nebo několika vrstev. Prostor, který závity obepínají, má obvykle kruhový, čtvercový
nebo obdélníkový průřez. Indukčnost cívek závisí na počtu závitů, jejich geometrickém
uspořádání a na magnetických vlastnostech prostředí, které závity obepínají, i které cívky
obklopuje. Podle konstrukce je možné cívky rozdělit na dvě velké skupiny:
• cívky bez jádra (vzduchové)
• cívky s jádrem (většinou z magneticky vodivého materiálu)
Otázky 1.
1. Uveďte základní paramatery rezistorů a potenciometrů, používaných v elektronických
obvodech.
2. Uveďte základní vlastnosti a paramatery kondenzátorů, používaných v elektronických
obvodech.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
32
3. Specifikujte rozdíly mezi jednotlivými typy kondenzátorů a objasněteoblasti jejich
hlavního použití.
4. Objasněte princip superkondenzátoru.
5. Vysvětlete pojem ztrátový činitel kondenzátoru, rozdíl mezi ideálním a reálným
kondenzátorem.
6. Uveďte základní vlastnosti a paramatery vzduchových cívek a cívek s magnetickým
jádrem, používaných v elektronických obvodech.
7. Specifikujte pojmy vlastní a vzájemná indukčnost cívky.
8. Nakreslete náhradní schéma cívky, vysvětlete pojem „ztrátový činitel cívky“.
9. Specifikujte rozdíly mezi konstrukčním provedením cívek, používaných v oblastech nf a
vf techniky.
Úlohy k řešení 1.
1) Součástky vyrobené v řadě E6 mají toleranci
a) 1%
b) 5%
c) 10%
d) 20%
2) Součástky vyrobené s tolerancí 1% jsou vyráběny v řadě
a) E6
b) E12
c) E24
d) E96
3) Elektrický odpor vodiče se určí (S – průřez, l – délka, ρ – měrný odpor)
a) S
l
R ρ=
b) l
S
R ρ=
c) ρ
l
SR =
d) l
SR
ρ
=
4) Ztrátový výkon rezistoru se určí
a)
2
URP =
b) R
I
P
2
=
c)
2
RIP =
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
33
d)
2
R
U
P =
5) Který z výrazů pro určení ztrátového výkonu je chybný
a) R
U
P R
2
=
b)
2
RRIP =
c) RR IUP =
d) R
I
P R
2
=
6) Potenciometr slouží jako
a) regulovatelný dělič napětí
b) regulovatelný dělič proudu
c) regulovatelný kapacitní dělič
d) neregulovatelný dělič napětí
7) Pro nezatížený napěťový dělič složený z rezistorů R1, R2 napájený napětím U platí
a) 1
21
2
R
RR
UUR
+
=
b) 2
21
2
R
RR
UUR
+
=
c) 21
1
2
RR
R
UUR
+
=
d) 21
2
2
RR
R
UUR
+
=
8) Odpor vodiče
a) není teplotně závislý
b) má teplotní závislost R = R0(1+α.∆t)
c) má teplotní závislost R = R0 .α.∆t
d) má teplotní závislost R = R0(1+α.∆t)2
9) Převrácená hodnota odporu je
a) impedance
b) admitance
c) reluktance
d) vodivost
10) Reaktance indukčnosti je
a) XL = 2πL
b) XL = ωL
c) XL = f L
d) XL = 2πf
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
34
11) Pro výpočet indukovaného elektromotorického napětí platí
a) dt
di
Lu −=
b) dt
di
L
u
1
−=
c) dtdi
L
u
⋅
−=
d) L
dtdi
u
⋅
−=
12) Statická definice indukčnosti je
a) IL ⋅−= φ
b) IL ⋅=φ
c) φ
I
L =
d) I
L
φ
=
13) Kondenzátor s označením 223 má kapacitu
a) 22 nF
b) 223 pF
c) 22 µF/30V
d) 22 mF
14) Kapacitu C deskového kondenzátoru určíme (S – plocha desek, d – vzdálenost desek,
µ - permeabilita, ε - permitivita)
a) d
S
C µ=
b) d
S
C ε=
c) S
d
C ε=
d) S
d
C µ=
15) Jakou hodnotu má tento rezistor?
a) 100 kΩ, 20%
b) 104 Ω, 1%
c) 401 Ω, 20%
d) 10 Ω, 4%
16) Jakou hodnotu má tento rezistor?
a) 3,3 kΩ, 10%
b) 33 kΩ, 10%
c) 332 Ω, 10%
d) 23 kΩ, 10%
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
35
17) Jakou hodnotu má tento rezistor?
a) 68 kΩ, 5%
b) 683 Ω, 5%
c) 386 Ω, 5%
d) 38 MΩ, 5%
18) Energii magnetického pole indukčnosti můžeme určit ze vztahu
a)
2
2
1
LIW =
b)
2
2
1
LUW =
c)
ULW 2
2
1
=
d)
ILW 2
2
1
=
19) Energii elektrického pole kondenzátoru můžeme určit ze vztahu
a)
2
2
1
CUW =
b)
2
2
1
CIW =
c)
ICW 2
2
1
=
d)
UCW 2
2
1
=
20) Vztah mezi napětím a proudem kondenzátoru je dán vztahem
a) dt
du
Ci =
b) dt
di
Cu =
c) dt
du
C
i
1
=
d) dt
di
C
u
1
=
21) Za statickou definici kapacity považujeme vztah
a) U
Q
C =
b) Q
U
C =
c) UQC ⋅=
d) IQC ⋅=
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
36
22) Kapacitní reaktance kondenzátoru je
a) fC
XC
π2
1
=
b) C
XC
π
1
=
c) fCXC π2=
d) fXC π2=
23) Kondenzátory s nejvyššími kapacitami jsou
a) keramické
b) vzduchové
c) fóliové
d) elektrolytické
24) Ztrátový úhel kondenzátoru δ
a) doplňuje fázový úhel do teoretické hodnoty 90°
b) je totéž co fázový úhel
c) doplňuje fázový úhel do teoretické hodnoty 180°
d) doplňuje fázový úhel do teoretické hodnoty 0°
25) Nejmenší ztrátový úhel mají kondenzátory
a) vzduchové
b) keramické
c) fóliové
d) elektrolytické
26) Převrácená hodnota ztrátového činitele tgδ je
a) činitel jakosti Q
b) ztrátový výkon kondenzátoru
c) ztrátový výkon cívky
d) přibližně roven fázovému úhlu
27) Vzájemnou indukčnost dvou cívek určíme
a) 21 LLkM ⋅=
b) 2
1
L
L
kM =
c) ( )2
21LLkM =
d) 21LL
k
M =
28) Typické pracovní napětí superkondenzátorů je
a) 2 – 3 V
b) 20 – 30 V
c) 200 – 300 V
d) 2000 – 3000 V
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
37
29) Superkondenzátory jsou schopny
a) rychlého nabití a vybití vysokými proudy
b) rychlého nabití a vybití na vysoké napětí
c) rychlého vybití, přičemž nabíjení trvá nepoměrně déle
d) rychlého nabití, přičemž vybíjení trvá nepoměrně déle
30) Vysoké kapacity superkondenzátorů se dosahuje
a) použitím uhlíkových elektrod s velkou plochou
b) použitím speciálního dielektrika s velkou permitivitou
c) použitím velmi tenkého dielektrika
d) použitím gelového elektrolytu
31) Kapacita vyráběných superkondenzátorů bývá přibližně
a) 100 – 1000 µF
b) 100 – 1000 mF
c) 100 – 1000 F
d) 100 – 1000 GF
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
38
2. Fyzikální základy polovodičů
Čas ke studiu: 10 hodin
Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět
• vysvětlit základní podstatu polovodičů
• popsat princip a činnost přechodu P-N
Výklad
Všechny látky se skládají z tzv. elementárních částic (protonů, elektronů a neutronů). Počet
rozmístění těchto částic určuje kvalitativní různorodost atomů. Pevné látky můžeme rozdělit
podle vnitřní struktury do dvou základních skupin: a) amorfní látky b) krystalické látky.
Atomy nebo ionty krystalických látek se podle povahy atomů a vnějších činitelů (teploty,
tlaku aj.) seskupují do souvislých větších celků s určitou pravidelností. Prostorový útvar
určující rozložení atomů v krystalu se nazývá krystalová mřížka. Je možné konstatovat, že
vlastnosti polovodiče jsou určeny v podstatě vlastnostmi atomů a tvarem krystalové mřížky.
Mezi parametry, které určují povahu látky, patří zejména: počet valenčních elektronů,
hmotnost jader a rozměry základních buněk krystalové mřížky (atomové, elektronové a
přechodné), přičemž vlastnosti polovodičů nejvíce ovlivňují atomové substituční poruchy, u
kterých je atom daného prvku nahrazen atomem jiného prvku.
Na základě výsledků teoretických i praktických výzkumů byl v roce 1911 vytvořen model
atomu, na kterém je atom představován jádrem s kladným elektrickým nábojem, kolem
kterého obíhají v uzavřených drahách elektrony, jejichž celkový počet vytváří tzv.
elektronový obal. Elektrony obíhají kolem jádra v různých rovinách, jakoby ho obalily
„elektronovou atmosférou“ a mohou pod vlivem určitých vnějších podmínek přecházet
z jedné dráhy na druhou. Elektrony zaujímají vždy v atomu nejnižší energetický stav
(normální, nevybuzený). Z energetického hlediska lze tvrdit, že stav elektronů, které obsahuje
elektronová hladina blíže k jádru, je charakterizován nižší energií.
Systematickým teoretickým a experimentálním studiem se dospělo k současně
nejvýhodnějšímu určení stavu elektronů obíhajících kolem jádra pomocí čtyř kvantových
čísel, neboť ze všech možných hodnot určitých fyzikálních veličin (energie, impulsu apod.)
přiřazují elektronu v daném stavu jen určité hodnoty, které se mohou realizovat. Jsou to tato
kvantová čísla:
a) hlavní kvantové číslo l (0,1, 2, …) - určuje v podstatné míře energii elektronu
b) vedlejší kvantové číslo l (0, 1, 2, …n-1) - určuje moment hybnosti elektronu související
s jeho obíháním kolem jádra
c) magnetické kvantové číslo m (-l, -l+1,…-1,0,1,…l) - určuje směr magnetického momentu
elektronu způsobeného jeho obíháním kolem jádra vzhledem na vnější elektrické a
magnetické pole
d) spinové kvantové číslo s (+1/2, -1/2) - určuje vlastní rotační moment elektronu tzv. spin.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
39
r0
1s
2p
2s
3s
3p
Vodivostní pásmo
Pásmo zakázaných
energií
Valenční pásmo
r
W
Soubor kvantových čísel (n, l, m, s) definuje tzv. kvantový stav elektronů. Podle Pauliho
principu výlučnosti se v každém možném kvantovém stavu může nacházet pouze jediný
elektron. To tedy znamená, že kvantové stavy dvou libovolných elektronů v autonomním
energetickém systému se musí lišit alespoň v jednom kvantovém čísle. V případě izolovaného
atomu odpovídá této skutečnosti čárový energetický model. Jestliže se z velkého počtu
stejných atomů vytvoří krystal a kvantové stavy by zůstaly nezměněné, porušil by se Pauliho
princip výlučnosti, neboť některé elektrony by měly stejný kvantový stav. Musí tedy dojít
k rozštěpení každého kvantového stavu charakteristického pro izolovaný atom na tolik
odlišných kvantových stavů, kolik atomů je v krystalu. Vzniknou tedy pásma kvantových
stavů. Z předchozího vyplývá, že každému kvantovému stavu odpovídá i určitá energie. Pro
izolovaný stav je charakteristické čárové spektrum energií, pro krystal pásma dovolených
energií, mezi kterými jsou pásma tzv. zakázaných energií.
Přechod od čárového diagramu k pásovému ukazuje obr. 2.1. Ve vzdálenosti r0 jsou při
přibližování jednotlivých atomů síly působící mezi částicemi v rovnováze a soustava
vykazuje minimum volné energie. Diskrétní energetické hladiny se rozštěpí v energetická
pásma. Energetické hladiny pro nejvyšší kvantová čísla se přitom štěpí nejvíce. Ve
skutečnosti je přiřazení energetických pásem pásmům kvantových stavů složitější, poněvadž
elektrony v různých kvantových stavech mohou nabývat stejných energií.
Obr. 2.1. Rozštěpení diskrétních hladin v energetická pásma
Kvantové stavy charakterizované stejnou energií se nazývají degenerovanými, přičemž stupeň
degenerace určuje počet dovolených kvantových stavů se stejnou energií. V pásmovém
modelu pevné látky pak můžeme rozlišit tato důležitá pásma:
a) vnitřní pásmo, které patří elektronům pevně vázaným k jádru
b) valenční pásmo, jehož energetické hladiny jsou obsazeny elektrony vytvářejícími chemické
vazby
c) vodivostní pásmo, jehož energetické hladiny jsou obsazovány elektrony uvolněnými
z chemických vazeb, které se mohou pohybovat uvnitř krystalu a způsobují vodivost látek.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
40
VODIVOSTNÍ
PÁSMO
VODIVOSTNÍ
PÁSMO WC
ZAKÁZANÉ
PÁSMO
Wi
WV
VALENČNÍ
PÁSMO
VALENČNÍ
PÁSMO
VODIVOSTNÍ
PÁSMO WC
ZAKÁZANÉ
Wi
WV
PÁSMO
W = 0W = 0W = 0
WV
WC
∆WZ
<7,5eV
∆WZ
>3,5eV
a) b) c)
Mezi valenčním a vodivostním pásmem je tzv. zakázané pásmo energií. Všechna tato
poslední tři pásma pak svojí polohou a rozmístěním určují rozdělení pevných látek na vodiče,
polovodiče a izolanty (obr. 2.2.).
Obr. 2.2. Pásmové modely pevných látek
a) vodič b) vlastní polovodič c) izolant
Obsazování dovolených energetických hladin elektrony popisujeme pomocí Fermi-Diracovy
statistiky, která definuje rozdělovací funkci F(W) určující pravděpodobnost výskytu elektronů
(případně děr) v energetických hladinách příslušných energetických pásem.
)exp(1
1
)(
kT
WWdz
dn
wF
F−
+
== (2.1.)
dn …. počet elektronů v intervalu ∆W = W - WF
dz …. počet možných energetických stavů v intervalu ∆W
k …. Boltzmanova konstanta ( 1,38 . 10-23
JK-1
)
T …. Teplota [K]
WF ... energie tzv. Fermiho hladiny [J]
Je proto zřejmé, že u vlastních polovodičů se Fermiho hladina nachází uprostřed v zakázaném
pásmu a zachovává si hodnotu indexu průměrné energie elektronů v přechodové oblasti. Ve
vlastním polovodiči se počet volných volných elektronů musí rovnat počtu děr, přičemž volné
elektrony zaplňují jen úzkou oblast kolem spodního okraje vodivostního pásma a volné díry
zaplňují úzkou oblast v okolí horního okraje valenčního pásma.
Je-li ∆W = (W - WF) > 3 kT, lze ve jmenovateli vztahu (2.1) zanedbat jedničku, pak
rozdělovací funkci lze vyjádřit ve tvaru:
)exp()(
kT
WW
WF F −
= (2.2.)
což je tvar Maxwell-Boltzmanova rozdělení.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
41
Pro popis většiny polovodičů (nedegerované polovodiče) postačuje tento vztah. Pouze u
některých speciálních polovodičů s vysokou koncentrací příměsí (tzv. degenerované
polovodiče) je nutné použít vztah (2.1)
2.1. Základní vlastnosti polovodičů
Polovodičem nazýváme elektricky vodivou látku, jejíž měrná vodivost při normální teplotě
okolí leží mezi měrnou vodivostí vodičů a izolantů. Vodivost polovodičů závisí na mnoha
vnějších činitelích - zejména na teplotě, osvětlení, tlaku a vnějším elektromagnetickém poli.
Charakteristickou každého polovodiče je šířka zakázaného pásma energií ∆Wz. Polovodiči
mohou být jednoduché prvky nebo sloučeniny. Jednoduchými polovodiči jsou zejména prvky
IV. skupiny Mendělejovy tabulky prvků, germanium a křemík. Sloučeninové polovodiče se
dělí na několik typů podle toho, jaké prvky jsou ve sloučenině vázány:
a) polovodiče AIII
- BV
- sloučeniny prvků III. a V. skupiny Mendělejevovy tabulky
prvků, např.: GaAs (arsenid galitý), GaP (fosfid galitý), GaN (nitrid galitý), AlN
(nitrid hlinitý), InSb (antimonid inditý)
b) polovodiče AII
- BVI
- sloučeniny II. a VI. Skupiny, např. CdS (sírník kademnatý), ZnS
(sírník zinečnatý), CdSe (selenid kademnatý), ZnSe (selenid zinečnatý), CdTe (telurid
kademnatý), ZnTe (telurid zinečnatý)
c) polovodiče AIV
- BVI
- sloučeniny IV. a VI. skupiny, např. PbO (kysličník olovnatý),
PbO2 (kysličník olovičitý), PbTe (telurid olovnatý).
Kromě těchto základních sloučenin existují i sloučeniny trojné, např. GaAsP a jiné.
V současné době se pro výrobu polovodičových součástek nejjvíce využívá monokrystalický
křemík, za ním ustupující germanium a nastupující perspektivní GaAs a GaP. Přesto však
každý z uvedených polovodičů nalezl své uplatnění pro některou svou význačnou vlastnost, i
když mnohé z těchto aplikací jsou prozatím ve stádiu výzkumném.
2.2. Vlastní polovodiče
Rovinný model krystalu křemíku ukazuje obr. 2.3. Čtyři valenční elektrony každého atomu
se podílejí na kovalentní vazbě, jejíž vznik si můžeme představit tak, že vždy dva valenční
elektrony sousedních atomů si vzájemně vyměňují místa, což vede ke vzniku výměnných sil
udržujících spolu dvojici neutrálních atomů, přičemž tato dvojice elektronů nemůže přispívat
k vazbě dalších atomů.
U vlastního polovodiče je při teplotě T = 0K zcela zaplněno valenční pásmo a vodivostní
pásmo je volné, polovodič se chová jako izolant. Při vyšších teplotách narůstá
pravděpodobnost narušení kovalentních vazeb, elektrony mohou získat energii k překonání
zakázaného pásma. V pásmovém modelu odpovídá uvolnění elektronů z kovalentní vazby
jeho přeskoku do vodivostního pásma. Po něm zůstává volná vazba, na kterou může přeskočit
elektron z jiné vazby, získá-li minimální energii, např. od elektrického pole. Vzniká tady pár
elektron-díra (mechanismus vlastní generace). Při působení vnějšího elektrického pole se
elektrony uvolněné mechanismem vlastní generace zúčastňují vedení proudu. Volná místa po
těchto elektronech, tzv. díry, se šíří k záporné elektrodě, chovají se tedy jako částice
s kladným nábojem a podílejí se rovněž na vedení proudu polovodičem.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
42
Si Si
Si
Si Si
Ge
Ge
Ge
Ge
Ge
a) b)
Si
Si Si
Si
Sb
VOLNÝ ELEKTRON
Si
Si Si
Si
In
VOLNÁ
DÍRA
a) b)
Obr. 2.3. Rovinný model krystalu a) křemíku b) germania
V ideálním vlastním polovodiči je koncentrace elektronů a děr rovna tzv. vlastní (intrinzické)
koncentraci, která je pro daný polovodičový materiál charakteristickým parametrem:
inpn == (2.3.)
n , p …. koncentrace elektronů, děr
ni …. vlastní (intrinzická) koncentrace
Z uvedeného vyplývá, že koncentrace nosičů náboje vzniklých mechanismem vlastní
generace, je závislá na šířce zakázaného pásma a na teplotě.
2.3. Nevlastní polovodiče
Je-li v krystalové mřížce atom vlastního polovodiče nahrazen atomem cizím atomem, vzniká
nevlastní polovodič. Nevlastní vodivost je obecně způsobena poruchami krystalové mřížky,
v nichž největší význam pro polovodičové prvky mají substituční poruchy.
Obr. 2.4. Schématické náhrady atomu polovodiče v krystalové mřížce příměsovým atomem
a) pětimocného prvku b) trojmocného prvku
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
43
Nahradíme-li atom v krystalové mřížce, např. křemíku, germania (čtyřmocné prvky), atomem
pětimocného prvku (např. P, As, Sb, Bi), pak čtyři z pěti valenčních elektronů tohoto atomu
příměsi vstupují do valenčních vazeb se čtyřmi sousedními atomy čtyřmocného prvku a pátý
valenční elektron zůstává nadbytečný, neboť v blízkosti není žádná volná vazba, kterou by
mohl vyplnit (obr. 2.4a). Tento elektron je k atomu příměsi slabě vázán, a proto pro jeho
přechod do vodivostního pásma je zapotřebí mnohem menší aktivační energie než pro
elektron z vlastního vyplněného valenčního pásma polovodiče. V pásmovém modelu
nevlastního polovodiče (obr. 2.5) pak elektrony obsazují zvláštní tzv. donorové hladiny ležící
těsně pod spodní hladinou vodivostního pásma.
I při normální teplotě okolí se tento elektron stane volným a atom příměsi se stane kladným
iontem, který je však v mřížce atomu křemíku pevně vázán kovalentní vazbou. Na rozdíl od
polovodičů s vlastní vodivostí (vlastní polovodič), kde vedení proudu se zúčastňuje stejný
počet elektronů a děr jsou příčinou vodivosti nevlastního polovodiče s pětimocnými
příměsemi ještě navíc volné elektrony. Tyto polovodiče se nazývají polovodiči typu N a
příměsem způsobujícím vodivost N říkáme donory.
Nahradíme-li pětimocné příměsi příměsemi trojmocnými (např. Al, Ga, In) dostaneme
nevlastní polovodič, v němž při působení elektrického pole převládne proud způsobený
dírami. Náhradou atomu germania v krystalické mřížce atomem india (viz. obr. 2.4b.)
doplňují všechny jeho valenční elektrony vazby se třemi sousedními atomy krystalové mřížky
a čtvrtá vazba zůstane nevyplněná. K doplnění této vazby elektronem sousedního atomu
germania musí získat tento elektron jen nepatrný přírůstek energie.
Obr. 2.5. Pásmový model polovodiče typu N
a) T = 0K b) T > 0K
V pásmovém modelu (obr. 2.6.) pak při T = 0K obsazují “přebytečné” díry tzv. akceptorové
hladiny, které se nacházejí v zakázaném pásmu těsně nad horní hladinou valenčního pásma.
VODIVOSTNÍ PÁSMO
VALENČNÍ PÁSMO
W W
WF
WC
Wd
WV
WF
∆Wd
∆Wz
a) b)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
44
Obr. 2.6. Pásmový model polovodiče typu P
a) T = 0K b) T > 0K
Při T > 0K přecházejí elektrony z valenčního pásma na akceptorové hladiny, kde zůstávají
vázány, přičemž zanechávají po sobě díry, které se zúčastňují vodivostního procesu. Tím se
atom příměsi stane záporným iontem a na místě elektronu sousedního atomu germania
zůstane kladná díra, která se může pohybovat v krystalové mřížce. Cizí elektron, který doplnil
vazbu v trojmocné příměsi, nemá v jejím jádru ekvivalentní proton a proto je také méně vázán
než ostatní vazební elektrony. U nevlastního polovodiče s trojmocnými příměsemi bude
převládat děrová vodivost, nazýváme je tedy polovodiči typu P a trojmocným příměsem pak
říkáme akceptory. Jako vyhovující koncentrace příměsí u řady polovodičových součástek je
hodnota 1017
cm-3
, přičemž např. hustota atomů u germania a křemíku je řádově 1022
cm-3
.
U nevlastního polovodiče typu N se donorové hladiny s energií Wd (viz. obr. 2.5.) nacházejí
blízko spodního okraje vodivostního pásma, přičemž počet elektronů ve vodivostním pásmu
převyšuje počet děr ve valenčním pásmu. Fermiho hladina s energií WF se posouvá směrem
k vodivostnímu pásmu. Pásmový model polovodiče typu P (obr. 2.6.) má naopak blízko
horního okraje valenčního pásma akceptorové hladiny s energií Wa a počet děr ve valenčním
pásmu převyšuje počet elektronů ve vodivostním pásmu. Fermiho hladina je tedy posunuta
k valenčnímu pásmu. U nevlastních polovodičů je koncentrace nosičů způsobena aktivací
příměsí (mechanismus vlastní generace) a přechodem elektronů z valenčního do vodivostního
pásma (mechanismus vlastní generace). V prvém případě jsou generovány nosiče jen jednoho
druhu (p nebo n) a v druhém případě vznikají nosiče obou typů ve stejném množství.
Koncentrace nosičů náboje nevlastního polovodiče typu N je dána vztahem:
pNnnn dvd +=+= +
(2.7.)
nd ………. koncentrace elektronů způsobena aktivací donorů
nv ………. koncentrace elektronů způsobena vlastní generací
N+
d …….. koncentrace aktivovaných donorů
p ………. koncentrace děr vzniklých vlastní generací
VODIVOSTNÍ PÁSMO WW
WF
WC
Wa
WV
WF
∆Wa
a) b)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
45
n, p, ni
Nd
T1 T2 T
n ni p
Je zřejmé, že platí :
+
= dd Nn pnv = (2.8.)
Předpokládáme-li, že N+
d >> ni , je koncentrace elektronů dána přibližně koncentrací
aktivovaných donorů (n ≈ N+
d ), koncentraci děr určuje přibližně vztah:
+
≈
d
i
N
n
p
2
(2.9.)
Obr. 1.7. ukazuje teplotní závislost koncentrace nosičů náboje nevlastního polovodiče N. Při
teplotě absolutní nuly (T = 0K ) je koncentrace nosičů náboje nulová a poloha Fermiho
hladiny je uprostřed mezi donorovou hladinou a spodním okrajem vodivostního pásma.
Postupným zvyšováním teploty dochází k aktivaci donorových příměsí. Při dosažení první
aktivační teploty (Ge 28K, Si 80K) jsou donorové příměsi takřka plně aktivovány a až do
teploty T2 (druhá aktivační teplota) se koncentrace nemění. Po překročení druhé aktivační
teploty se začíná uplatňovat mechanismus vlastní generace. Druhá aktivační teplota je závislá
na šířce zakázaného pásma ∆Wz a pro Ge je asi 363 K (90o
C), pro Si asi 443 K (170 o
C).
Teploty T1 a T2 vymezují teplotní použití určitého polovodiče.
Současně s generací nosičů náboje probíhá i tzv. rekombinace, při které zaniká pár elektrondíra.
Ve stavu tepelné rovnováhy je generace nosičů v rovnováze s jejich rekombinací.
Jestliže se nějakým vnějším zásahem poruší tepelná rovnováha (změnou teploty, ozářením,
injekcí minoritních nosičů apod.) zvětší se koncentrace elektronů nebo děr proti
rovnovážnému stavu a v polovodiči se začne odehrávat proces vedoucí k likvidaci nadbytečné
koncentrace. Na rychlosti rekombinace závisí doba, za kterou se obnoví tepelná rovnováha.
Obr. 2.7. Závislost koncentrace nosičů na teplotě (polovodič typu N)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
46
Mechanismus rekombinace můžeme rozdělit do tří hlavních kategorií :
a) přímá rekombinace, při které se elektron setká s dírou, přičemž se uvolní energie, která se
vyzáří nebo odevzdá krystalové mřížce (elektron přechází z vodivostního pásma do
valenčního). Pravděpodobnost přímé rekombinace je malá, poněvadž obě částice jsou ve
vzájemném pohybu.
b) Postupná rekombinace pomocí rekombinačních center, jejichž energetické hladiny leží
poblíž středu zakázaného pásma (poruchy krystalové mřížky - dislokace, vakance, příměsové
atomy). Elektron přechází z vodivostního pásma na hladinu poruchy nebo příměsi a odtud
dále do valenčního pásma, kde rekombinuje s dírou, přičemž tento proces není časově
omezen.
c) Povrchová rekombinace je principálně stejná jako předešlá s tím rozdílem, že rekombinační
centra se nacházejí na povrchu polovodičů (řezání, broušení vzorků polovodičů, absorbované
atomy obklopující prostředí apod.). Povrchová rekombinační centra způsobují trvalou
poruchu elektrické rovnováhy při povrchu polovodiče, jejímž důsledkem je vznik
elektrického pole při povrchu, které nutí proudit minoritní nosiče k povrchu polovodiče, kde
intenzivně rekombinují s majoritními nosiči.
2.4. Přechod PN
Vhodným technologickým procesem lze vytvořit přechod PN představující oblast polovodiče,
ve které se mění elektrická vodivost jednoho typu na druhý. Při rozboru vlastností přechodu
PN budeme předpokládat ideální stupňovitý nesymetrický přechod PN, ve kterém oblast
vodivosti typu P přechází nespojitě v oblast vodivosti typu N. Pro koncentraci majoritních
nosičů platí nerovnosti nN >> np a pp >> pN.
2.4.1. Přechod PN v termodynamické rovnováze
Vytvořením přechodu PN dojde ke vzniku spádu koncentrace nosičů náboje, přičemž
elektrony a díry začnou difundovat z míst s vyšší koncentrací do míst s nižší koncentrací.
Hlubším proniknutím do objemu polovodiče difundované nosiče rekombinují s majoritními
nosiči. V blízkosti přechodu budou v oblasti P záporné ionty, jejichž náboj zůstane
nekompenzován (snížení koncentrace děr) a v blízkosti hraniční plochy v oblasti N vznikne
oblast s kladnými ionty, jejichž náboj zůstane rovněž nekompenzován (snížení koncentrace
elektronů). Těsně u rozhraní obou vrstev (tzv. metalurgický přechod) poklesne koncentrace
majoritních nosičů a nepatrně vzroste koncentrace nosičů minoritních. Difúzními pochody se
vytvoří pásmo s elektrickými náboji opačného znaménka, vznikne tzv. elektrická nábojová
dvojvrstva, která je doprovázena vnitřním elektrickým polem s intenzitou E. Vnitřní
elektrické pole postupně zeslabuje difúzi nosičů náboje a nakonec ji úplně zastaví.
V přechodové oblasti se sníží koncentrace nosičů proti ostatnímu objemu polovodiče, proto
nazýváme tuto oblast tzv. depletiční (ochuzenou) vrstvou. V důsledku snížení koncentrace
nosičů náboje v depletiční vrstvě se podstatně zvýší i její odpor proti ostatnímu objemu
polovodiče. Rozdíl potenciálů, který vznikne v depletiční vrstvě při vytvoření přechodu PN,
se nazývá difúzní napětí UD.
Z pásmového modelu (obr. 2.8.) nesouměrného stupňovitého přechodu PN vyplývá, že
difúzní napětí můžeme určit z energií intrinzitních hladin jednotlivých polovodičů
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
47
iNiPD WWeU −= (2.10.)
V rovnováze stavu musí být splněna rovnice (2.3.), kterou je možno pro nevlastní polovodiče
přepsat do tvaru:
2
iNN npn = (N-typ) (2.11.)
Nebo
2
iPP nnp = (P-typ) (2.12.)
Difúzní napětí je dáno vztahem:
2
ln)lnln(
1
i
NP
i
N
F
i
P
FD
n
np
e
kT
n
n
kTW
n
p
kTW
e
U =+−+= (2.13.)
22
lnln
i
ad
T
i
ad
D
n
NN
U
n
NN
e
kT
U
−+−+
== (1.14.)
UT je tzv. teplotní napětí.
k ……. Boltzmanova konstanta ( 1,38 . 10-23
JK-1
)
T ……. teplota [K]
e …….. náboj elektronu (1,602. 10-19
C)
U germaniových přechodů PN se difúzní napětí pohybuje v mezích 0,2÷0,4 V, u křemíkových
0,5÷0,7 V.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
48
POLOVODIČ N
nN
Nd
pN
-xN
ui 0 xP
POLOVODIČ P
pP
Na
nP
INVERZNÍ
VRSTVA
Nd , Na , p , n
a)
-xN
eNd xP
-eNa
x
b)
-xN xP
E(x)
x
c)
-xN xP
V(x)
UD
x
d)
WcN
WF
WiN
WvN
eUD
-xN xP x
WcP
WiP
WF
WvP
e)
Obr. 2.8. Nesouměrný stupňovitý přechod PN v termodynamické rovnováze
a) průběh koncentrací b) prostorový náboj
c) průběh intenzity vnitřního elektrického pole d) rozložení potenciálu
e) pásmový model přechodu PN
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
49
WCN
WF
WVN
-xN xP x
WCP
WF
WVP
b)
POLOVODIČ N POLOVODIČ P
N P
+-
=
Ua)
WCN
WF
WVN
-xN xP x
WCP
WF
WVP
c)
POLOVODIČ N POLOVODIČ P
e (UD – U)
WCN
WF
WVN
-xN xP x
WCP
WF
WVP
POLOVODIČ N POLOVODIČ P
e (UD + U)
d)
2.4.2. Přechod PN v obvodu s vnějším napětím
Připojíme-li k vývodům polovodiče s přechodem PN vnější napětí U (obr. 2.9a), můžeme
očekávat, že se v důsledku zvýšeného odporu depletiční vrstvy (snížená koncentrace nosičů
náboje) prakticky celé napětí objeví na této přechodové oblasti.
Obr. 2.9. Přechod PN s přiloženým vnějším napětím
a) zapojení v propustném směru
b) pásmový model přechodu PN v termodynamické rovnováze
c) pásmový model přechodu PN v propustném směru
d) pásmový model přechodu PN v závěrném směru
Napětí vnějšího zdroje ovlivňuje průběh potenciálu vnitřního elektrického pole a mění výšku
potenciální bariéry. Zvětšuje-li se výška potenciální bariéry, přechod je polarizován
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
50
v závěrném směru, na přechod působí záporné závěrné napětí U = -UR (napětí vnějšího zdroje
se přičítá k difúznímu napětí přechodu PN). Způsobuje-li vnější napětí snižování
potencionální bariéry, je přechod polarizován v propustném směru, na přechod působí kladné
propustné napětí U = UF (napětí vnějšího zdroje se odečítá od difúzního napětí). Při určité
hodnotě vnějšího napětí mizí potencionální bariéra, volné nosiče napětí opět vyplní prostor
přechodu PN, takže jeho odpor značně poklesne. V pásmovém modelu přechodu PN
s přiloženým vnějším napětím (obr.2.9b,c,d) dojde k posuvu energetických pásem
jednotlivých polovodičů, přičemž se mění i polohy Fermiho hladin (v termodynamické
rovnováze je poloha Fermiho hladin při vytvoření přechodu PN stejná).
Vztah (2.13.) můžeme pomocí vztahu (2.12.) upravit na tvar:
)exp(
T
D
NOPO
U
U
nm −= (2.15.)
který udává koncentraci minoritních nosičů pro x = xP bez přiloženého vnějšího napětí (U=0),
analogicky pro x = - xN
)exp(
T
D
PONO
U
U
pp −= (2.16.)
Koncentrace minoritních nosičů s přiloženým vnějším napětím (U≠0) jsou určeny vztahem
)exp(
T
D
NP
U
UU
nn
−
−= (2.17.)
)exp(
T
D
PN
U
UU
pp
−
−= (2.18.)
Při teplotách vyšších než první aktivační teplota dochází k takřka plné aktivaci příměsí i
k vlastní generaci nosičů, takže platí:
NOdNO pNn += (2.19.)
POaPO nNp += (2.20.)
Poněvadž platí nerovnosti Nd >> pNO a Na >> nPO, je koncentrace majoritních nosičů dána
především koncentrací příměsí, přičemž nezávisí na vnějším napětí U. Za těchto předpokladů
pak nNO ≈ nN a pPO ≈ pP. Dosazením vztahu (2.15.) do (2.17.) a (2.16.) do (2.18.) získáme
vztahy
)exp(
T
PPO
U
U
nn −= (2.21.)
)exp(
T
NNO
U
U
pp −= (2.22.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
51
IS
U
I
Užitím vztahů (2.11.) nebo (2.12.) můžeme definovat intrinzickou koncentraci pro případ, kdy
neplatí termodynamická rovnováha:
)exp()exp(2
T
PP
T
NNi
U
U
np
U
U
pnn −=−= (2.23.)
Vlivem vnějšího napětí se vytvoří na hraničních rovinách depletiční (x = - xN a x = - - xP)
gradient koncentrace minoritních nosičů, dochází k difúzi nosičů náboje. Pro PN přechod
s kladným vnějším napětím (propustný směr) difundují nadbytečné elektrony od depletiční
vrstvy do objemu polovodiče P nadbytečné díry do objemu polovodiče N (tzv. injekce
minoritních nosičů náboje). V opačném případě (závěrný směr) difundují nosiče z objemu
polovodiče do přechodové oblasti (tzv. extrakce minoritních nosičů náboje). V obou
případech se však stále vytváří rovnováha mezi difúzními toky a toky nosičů procházejících
depletiční vrstvou působením vnějšího elektrického pole.
Pro injekci minoritních nosičů platí:
1) koncentrace injektovaných nosičů v polovodiči se řídí exponenciálním zákonem
2) koncentrace injektovaných nosičů je funkcí vnějšího napětí
3) difúzní délka je průměrná vzdálenost, do které injektované nosiče náboje v polovodiči
prodifundují než zrekombinují.
2.4.3. VA charakteristika přechodu PN
Matematické vyjádření VA charakteristiky přechodu PN vyplývá z předcházejících vztahů.
S respektováním vlivů je ovšem tento výpočet velmi složitý. Proto se pro představu zavádí
pojem tzv. ideálního přechodu PN charakterizovaného zejména předpokladem, že nosiče
náboje procházejí přes přechod PN bez rekombinace, elektrické pole v oblasti mimo přechod
PN je velmi malé a můžeme ho zanedbat.
Obr. 2.10. VA charakteristika ideálního přechodu PN
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
52
P N
e(UD+U
elektro
dír
a)
UR UZ
IR
b)
Pro VA charakteristiku (obr. 2.10.) lze pak odvodit vztah:
)1(exp −=
T
S
U
U
II (2.24.)
UT je tzv. teplotní napětí (rovnice 2.29.), IS je tzv. nasycený proud, jehož velikost závisí na
řadě faktorů. Zvětšuje se s rostoucí teplotou (zvětšuje se ni), se zvětšováním plochy přechodu
(pro větší proudy se zvětšuje plocha přechodu), naopak se zmenšuje s rostoucí koncentrací
příměsí a s větší šířkou zakázaného pásma (zmenšuje se ni).
VA charakteristika reálného přechodu PN se odlišuje od ideálního zejména v důsledku
rekombinačního proudu, odporu neutrálních oblastí, generačního proudu, vysoké injekce
minoritních nosičů a průrazu v závěrném směru.
Průrazy přechodu PN v závěrném směru jsou způsobeny tunelovým jevem, lavinovou
generací v depletiční vrstvě, zvýšením teploty přechodu v důsledku Jouleových ztrát a
nečistotami na povrchu polovodiče.
Podle příčiny průrazu pak rozlišujeme:
1) Zenerův průraz, který je způsoben tunelováním elektronů z valenčního pásma oblasti P do
vodivostního pásma oblasti N. Tunelový jev vzniká za určitých předpokladů: velmi úzká
depletiční vrstva (zvýšením koncentrace příměsí), kritická hodnota intenzity v depletiční
vrstvě (Ge - 2,2 ÷ 3.105
Vcm-1
, Si - 1,2 ÷ 1,4.106
Vcm-1
), existence volné hladiny za
přechodem, na kterou by elektrony mohly přejít (obr. 1.11.a). VA charakteristika při
Zenerově průrazu se vyznačuje pomalým pomalým narůstáním závěrného proudu v okolí
napětí Uz (obr. 2.11b). Napětí Uz je tzv. Zenerovo napětí (Ge - 4,5 ÷ 7 V, Si - 5,5 ÷ 20 V).
Obr. 2.11. Tunelování elektronů při Zenerově průrazu
a) pásmový model b) závěrná VA charakteristika
2) Lavinový průraz je způsoben lavinovou generací párů elektron-díra v důsledku působení
vnějšího elektrického pole s velkou intenzitou. Energie potřebná na vyvolání nárazové
ionizace se získává v podobě pohybové energie elektronů při jejich urychlení v silném
elektrickém poli (obr. 2.12.a).
3) Tepelný průraz, který je způsoben zvýšením teploty přechodu v důsledku Jouleových ztrát.
Ztrátový výkon, který vzniká průchodem proudu přechodem způsobuje zvyšování teploty
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
53
UR UL
IR
a)
UR UT
IR
b)
přechodu. Jestliže za určitých ochlazovacích se nestačí teplo vzniklé průchodem proudu
přechodem PN odvést, dojde k narůstání teploty přechodu i polovodiče, a tím ke zvýšení
vodivosti, což má za následek další vzrůst ztrátového výkonu a tím i teploty přechodu, až
dojde k tepelnému průrazu, který způsobí destrukci přechodu (obr. 2.12.b).
Obr. 2.12. Závěrné VA charakteristiky PN přechodu
a) lavinový průraz b) tepelný průraz
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
54
Shrnutí pojmů 2.
Klíčová slova:
Vlastní polovodič, nevlastní polovodič, přechod PN.
Všechny látky se skládají z tzv. elementárních částic (protonů, elektronů a neutronů). Počet
rozmístění těchto částic určuje kvalitativní různorodost atomů. Pevné látky můžeme rozdělit
podle vnitřní struktury do dvou základních skupin: a) amorfní látky b) krystalické látky.
Atomy nebo ionty krystalických látek se podle povahy atomů a vnějších činitelů (teploty,
tlaku aj.) seskupují do souvislých větších celků s určitou pravidelností. Prostorový útvar
určující rozložení atomů v krystalu se nazývá krystalová mřížka. Je možné konstatovat, že
vlastnosti polovodiče jsou určeny v podstatě vlastnostmi atomů a tvarem krystalové mřížky.
Mezi parametry, které určují povahu látky, patří zejména: počet valenčních elektronů,
hmotnost jader a rozměry základních buněk krystalové mřížky (atomové, elektronové a
přechodné), přičemž vlastnosti polovodičů nejvíce ovlivňují atomové substituční poruchy, u
kterých je atom daného prvku nahrazen atomem jiného prvku.
Polovodičem nazýváme elektricky vodivou látku, jejíž měrná vodivost při normální teplotě
okolí leží mezi měrnou vodivostí vodičů a izolantů. Vodivost polovodičů závisí na mnoha
vnějších činitelích - zejména na teplotě, osvětlení, tlaku a vnějším elektromagnetickém poli.
Vhodným technologickým procesem lze vytvořit z polovodičů P a N přechod PN představující
oblast polovodiče, ve které se mění elektrická vodivost jednoho typu na druhý. Přechod PN je
základním stavebním prvkem polovodičových součástek.
Otázky 2.
1. Vysvětlete pojmy vlastní a nevlastní polovodiče.
2. Objasněte princip funkce přechodu PN.
3. Nakreslete V-A charakteristiku přechodu PN.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
55
3. Polovodičové součástky
Čas ke studiu: 20 hodin
Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět
• vysvětlit funkci elektronických prvků
• popsat základní charakteristiky a parametry elektronických prvků
• definovat aplikační možnosti elektronických prvků
Výklad
Polovodičové součástky pro elektroniku můžeme roztřídit podle několika hledisek. Podle
technologie nebo konstrukčního uspořádání dělíme polovodičové součástky na diskrétní a
integrované. U diskrétní součástky tvoří elektrický funkční prvek současně i samostatnou
jednotku součástky, integrované obsahují v mechanickém celku (např. pouzdru) elektrický
funkční celek (obvod) složený z mnoha aktivních i pasivních prvků.
3.1. Polovodičové diody
Polovodičové součástky využívající statické a dynamické vlastnosti jednoho přechodu PN
nazýváme diodami.
VA charakteristika polovodičové diody je vlastně VA charakteristikou PN přechodu.
Z teoretického rozboru přechodu PN v předešlých kapitolách vyplývá, že závislost mezi
napětím a proudem je lineární a je popsána vztahem :
)1(exp −=
T
S
mU
U
II (3.1.)
kde IS je nasycený proud měnící se s teplotou, přičemž jeho velikost je určena polovodičovým
materiálem a jeho technologickým zpracováním. Korekční faktor m respektuje odchylky
reálného přechodu PN od ideálního (m ≅ 1 ÷ 2). Poněvadž hodnoty proudu a napětí
v propustném a závěrném směru diody se velmi liší, používáme na osách pro propustný a
závěrný směr rozdílná měřítka (obr.3.1.).
Při zvýšené teplotě dochází k posunu VA charakteristiky, poněvadž nasycený proud diody i
teplotní napětí se s teplotou mění (obr. 3.2.). Teplotní závislost nasyceného proudu IS lze
vyjádřit následující rovnicí:
2 1
31
1 1 1
( ) exp ( )Z
ST ST
T T W T
I I
T RT T T
+ ∆ ∆ ∆
=
+ ∆
(3.2.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
56
300 200 100
100
40
50
150
80
120
0,4 0,8 1,2UR [V] UF [V]
IR [µA]
IF [mA]
IS
Za předpokladu, že T1 >> ∆T = T2 – T1, lze rovnici (3.2.) zjednodušit na tvar:
2 1 12
1
exp ( ) exp ( )Z
ST ST ST
W
I I T I T
kT
λ
∆
≅ ∆ ≅ ∆ (3.3.)
Teplotní činitel λ nabývá hodnot λ ≅ 0,07 ÷ 0,08 K-1
pro Ge diody a λ ≅ 0,09 ÷ 0,1 K-1
pro Si
diody. Při zvýšení teploty o 10K se nasycený proud u germaniových diod přibližně
zdvojnásobí a u křemíkových diod ztrojnásobí.
Obr. 3.1. VA charakteristika polovodičové diody (Si)
Pro napětí v propustném směru UF > 200 mA lze rovnici (3.1.) zjednodušit na tvar:
exp ( )F
F S
T
U
I I
mU
≅ (3.4.)
Pro dvě různé teploty T1, T2 a T1 >> ∆T = T2 - T1 lze odvodit vztah pro posun VA
charakteristiky v propustném směru při konstantním proudu IF :
1 2
1 1
1 2
exp ( ) exp ( ) exp ( )F F
F ST ST
T T
U U
I I I T
mU mU
λ≅ ≅ ∆ (3.5.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
57
UR
IR
IF
IF
IST1
IST2
UF
∆UF
T1T2 T2 > T1
UP
Obr. 3.2. VA charakteristika diody při různých teplotách
Úpravou a logaritmováním rovnice (3.5.) získáme vztah:
2
2
1
1
T
F
T
F
mU
U
T
mU
U
+≅ ∆λ (3.6.)
Za předpokladu, že mUT1 ≅ mUT2 ≅ mUT je posun VA charakteristiky určen vztahem:
TdTmUUUU TTFFF ∆∆∆ −=−≅−= λ12 (3.7.)
kde dT je tzv. teplotní průnik, který nabývá hodnot pro Ge diody dT ≅ 2,3 mVK-1
, pro Si diody
dT ≅ 3,7 mVK-1
. Teplotní průnik není konstantní, ale závisí, i když jen málo, na teplotě.
K rovnoběžnému posunu VA charakteristiky při zvýšení teploty dochází tedy jen při splnění
uvedených předpokladů.
Diferenciální vodivost (resp. odpor) diody určíme derivací vztahu (3.1.)
)(exp
TT
S
d
mU
U
mU
I
dU
dI
G == (3.8.)
)(exp
TS
T
d
mU
U
I
mU
dI
dU
R −== (3.9.)
Celkový odpor diody je však větší ještě o odpor kontaktů a přívodů RS.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
58
uF , iF
uR , iR
uRM
irrM
uF
uK
iF
trr
Qr
uR
t
0,1 irrM
VA charakteristika polovodičové diody charakterizuje pouze statické parametry polovodičové
diody. V četných aplikacích, zejména jedná-li se o zapojení diody v obvodech, kde dochází
k rychlým periodicky se opakujícím přechodům z propustného do závěrného směru, jsou
důležité dynamické vlastnosti diody. V době, kdy dioda vede propustný proud, jsou oblasti
polovodiče vytvářející přechod PN zaplněné nosiči náboje. Má-li přechod přejít z propustného
do závěrného stavu a blokovat závěrné napětí, je nutné odvést nosiče náboje z těchto oblastí.
Obr. 3.3. Průběhy proudu a napětí diody při přepólování diody
Odstranění náboje v okamžiku přepolarizace napájecího napětí však neproběhne okamžitě, ale
náboj zde bude přítomen i krátce po tom, kdy napájecí napětí změnilo polaritu. Následkem
toho bude diodou protékat závěrný proud, jehož velikost ovlivňuje napájecí napětí, strmost
jeho nárůstu, charakter impedance zátěže a proud, který protékal diodou bezprostředně před
začátkem komutace. Závěrný (komutační) proud bude protékat tak dlouho, dokud se
neodvedou nosiče náboje nahromaděné v blízkosti přechodu PN. Po jejich odvedení získá
dioda velmi rychle blokovací schopnost a může zachycovat závěrné napětí. Popsaný
komutační děj je znázorněn na obr. 3.3.
Z rozboru vlastností přechodu PN vyplývá, že při změně vnějšího napětí se mění šířka
depletiční vrstvy, a tím i oblast prostorového náboje. S ohledem na tuto skutečnost se budou
uplatňovat kapacity přechodu. Při záporné polarizaci přechodu PN se uplatní hlavně
bariérová kapacita, jejíž hodnota klesá s rostoucím napětím.
Při kladné polarizaci (UF < UD) se uplatňuje difúzní kapacita. Po překročení difúzního napětí
(UF > UD) dochází k prudkému vzrůstu proudu a přechod PN se začne chovat jako
indukčnost sériovým odporem RD a paralelním odporem RP. Hodnota indukčnosti je podle
druhu diody řádově mH. Pro nejvyšší kmitočty je nutno ještě respektovat indukčnost přívodů
LS (cca 10 nH) a vzájemnou kapacitu pouzdra a přívodů CP (cca 0,3 pF). Chování diody
v propustném i závěrném směru je možno popsat náhradním schématem (obr. 3.4.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
59
IR
UR
IR
IF
Rdp
Rdz
UR
IF
Rdp
Rdz
UF UF
Rs
Rdp
Ls
Cp
Cd ≈ CD
Rs
Rdz
Ls
Cp
Cd ≈ Cb
a)
Rs
Rp
Ls
Rd
Ld
Cp
b)
Obr. 3.4. Náhradní schéma diody
a) závěrný směr b) propustný směr
Při řešení obvodů s polovodičovými diodami se většinou provádí aproximace VA
charakteristiky lomenou přímkou (obr. 3.5.).
Obr. 3.5. Aproximace VA charakteristiky diody
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
60
UR UF
IF
4,7 IFAV
1,57 IFAV
Rd
α
UP
Ve výkonové elektronice se často používá následující aproximace VA charakteristiky
výkonové diody, která se používá k dimenzování diod z hlediska ztrátového výkonu (obr.
3.6.).
Obr. 3.6. Aproximace VA charakteristiky diody
Pro propustnou charakteristiku pak platí :
FdPF IRUU += (3.10.)
3.1.1. Provedení a použití polovodičových diod
Při činnosti polovodičových diod se využívá především usměrňující schopnosti přechodu PN.
Speciální diody pak využívají další vlastnosti přechodu PN:
a) nedestruktivní průraz (např. Zenerova dioda),
b) záporný diferenciální odpor (např. tunelová dioda),
c) napěťová závislost kapacity přechodu (varikap).
3.1.1.1. Usměrňovací diody
Usměrňovací diody se používají pro usměrňování střídavého proudu průmyslového kmitočtu,
případně mohou být použity i pro větší kmitočty. Mezní hodnoty usměrňovaných napětí a
proudů udává výrobce polovodičových diod formou tzv. charakteristických údajů. Těmito
údaji definuje výrobce průběh VA charakteristiky usměrňovací diody. Pracovní oblast VA
charakteristiky je popsána dvěma údaji. V propustné části se uvádí hodnota proudu IF, při
kterém napětí UFmax nepřekročí hodnotu udanou výrobcem. Pro závěrnou část charakteristiky
je uvedena hodnota závěrného napětí URmin, při němž proud IR nepřekročí hodnotu udanou
výrobcem. Při provozu ovšem nesmí být překračovány mezní hodnoty proudu a napětí :
IFAV ………. maximální přípustná střední hodnota usměrněného proudu, který smí diodou
trvale procházet
IFSM ………. neopakovatelný špičkový propustný proud
URRM ….….. závěrné špičkové opakovatelné napětí
URSM …..…. závěrné špičkové neopakovatelné napětí
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
61
UR
UZ
UF
IR
IZmax
0,2 IZmax
PZmax
∆UZ
∆IZ
A K
IF
V současné době se vyrábějí plošné usměrňovací diody z křemíku difúzní technologií,
poněvadž fyzikální vlastnosti křemíku umožňují vyrobit usměrňovací diody s lepšími
vlastnostmi než mají germaniové diody, i když úbytek napětí v propustném směru křemíkové
diody je vyšší (1 ÷ 1,2 V).
Mezi často používané diody patří např. 1N4001 - 1N4007 (1A, 50 až 1000V), 1N4148
(0,15A/75V). Diody pro větší proudy vyrábějí např. firmy Infineon, International Rectifier.
3.1.1.2. Stabilizační diody
Stabilizační (Zenerovy) diody jsou křemíkové plošné diody, které využívají nedestruktivní
průraz při polarizaci diody v závěrném směru. Tvar VA charakteristiky v závěrné oblasti je
obvykle určen kombinací obou druhů nedestruktivních průrazů přechodu PN – Zenerova
průrazu a lavinového průrazu (viz. 2.2.2.3.). Obr. 3.7. ukazuje VA charakteristiku Zenerovy
diody. Pro větší hodnoty průrazného Zenerova napětí převládá lavinový průraz (Uz > 6 V) a
teplotní koeficient Zenerova napětí definovaný vztahem
dT
dU
U
TK z
z
Uz
1
= (3.11a.)
je kladný. Pro menší hodnoty Zenerova napětí (Uz < 6 V) převládá Zenerův průraz a teplotní
koeficient TKUz je záporný.
Diferenciální odpor Zenerovy diody v závěrném směru je určen rovnicí:
Z
Z
Z
Z
dz
I
U
dI
dU
R
∆
∆
≅= (3.11b.)
Obr. 3.7. VA charakteristika Zenerovy diody
Dosáhne-li napětí v závěrném směru průrazné hodnoty, mění se prudce vodivost diody a
proud v závěrném směru narůstá. Proud musí být však omezen vnějším rezistorem tak, aby
nebyl překročen mezní ztrátový výkon PZmax = UZ IZmax. Zvyšováním koncentrace příměsí se
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
62
UR
IR
UF
IF
IP
IV
A K
snižuje hodnota průrazného napětí, neboť se zužuje šířka depletiční vrstvy, takže k vytvoření
potřebné intenzity elektrického pole stačí menší hodnota vnějšího napětí. V propustném
směru se Zenerova dioda chová jako běžná dioda.
Přesným řízením výrobního procesu lze získat širokou řadu diod s různým Zenerovým
napětím, např. řada BZX83 se Zenerovým napětím 0,8V až 75V a ztrátovým výkonem 0,5W,
nebo řada BZX85 se Zenerovým napětím 3,9V až 200V a ztrátovým výkonem 1,3W.
Nejběžnější aplikace Zenerových diod jsou stabilizátory napětí a referenční zdroje napětí.
3.1.1.3. Lavinové diody
Jsou to křemíkové polovodičové diody využívající při své činnosti lavinového průrazu,
přičemž jsou konstruovány tak, aby jejich výkonová přetížitelnost v závěrném směru byla
přibližně stejná jako v propustném směru. Dioda se tedy nezničí průchodem většího
závěrného proudu, pokud není překročena mezní hodnota ztrátového výkonu, z čehož pak
vyplývá, že lavinové diody mohou být více napěťově namáhány než běžné usměrňovací
diody. Ve větší míře se využívají u vysokonapěťových sloupců. Dále mohou být použity jako
stabilizátory pro vyšší napětí (stovky voltů) a tvoří základ tzv. lavinových průletových diod,
které slouží ke generaci kmitů v mikrovlné oblasti (řádově 101
GHz).
3.1.1.4. Tunelové diody
Tunelové diody využívají při své činnosti vlastnosti přechodu PN vzniklého z polovodičů
s vysokou dotací příměsí, která mnohokrát převyšuje koncentraci příměsí běžných diod (tzv.
degenerovaný přechod PN). Ve srovnání s obr. 3.7. je závěrné průrazné napětí redukováno
k nule, proto se tunelová dioda používá v určité oblasti napětí v propustném směru. Vzhledem
ke zvláštnímu tvaru VA charakteristiky, která obsahuje oblast záporného diferenciálního
odporu, lze tunelovou diodu použít jako aktivního prvku, např. v obvodech oscilátorů
(kmitočet řadově desítky GHz).
Obr. 3.8. VA charakteristika tunelové diody
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
63
Čárkovaná křivka na obr. 3.8. představuje VA propustnou charakteristiku běžného přechodu
PN. Plná čára znázorňuje, že malé přiložené napětí v propustném směru (cca 50 mV) způsobí
nárůst proudu na vrcholovou hodnotu IP, další zvyšování napětí vede ke snížení proudu na
hodnotu IV. Při dalším zvyšování napětí se tunelová dioda chová jako běžná dioda.
Princip tunelové diody lze vysvětlit pomocí pásmové teorie. Vlivem silné koncentrace příměsí
(až 1019
cm-3
) se zmenší šíře zakázaného pásma polovodiče a Fermiho hladina leží buď ve
vodivostním pásmu (N-typ), nebo ve valenčním pásmu (P-typ). Při teplotě absolutní nuly
existují tedy v N-polovodiči elektrony s energií vodivostního pásma a v P-polovodiči díry
s energií valenčního pásma.
Při vytvoření přechodu PN vynikne dosti vysoká potencionální bariéra. Je-li k tunelové diodě
přiloženo malé napětí, dojde k posunu energetických pásem a část vodivostního pásma
polovodiče N se překrývá s valenčním pásmem polovodiče P. Elektrony z polovodiče N
mohou tunelovat do valenčního pásma polovodiče P. Vzniká tunelový proud, který se zvyšuje
až do hodnoty IP. Zvyšováním napětí se zmenšuje překrytí valenčního a vodivostního pásma
polovodičů P a N, proud klesá až na hodnotu IV. Dalším zvyšováním napětí se snižuje dále
potencionální bariéra a zvětšuje se množství elektronů z vodivostního pásma N, které ji
mohou překonat a dostávají se do vodivostního pásma polovodiče P. V důsledku toho proud
začíná narůstat a mechanismus vodivosti je stejný jako u běžných diod. V závěrném směru
mohou elektrony z valenčního pásma polovodiče P přecházet tunelováním přímo do
vodivostního pásma polovodiče N a dioda je tedy ve vodivém stavu. Výchozím materiálem
pro výrobu tunelových diod je Ge nebo GaAs.
3.1.1.5. Kapacitní diody
Z rozboru vlastností přechodu PN vyplývá, že šířka depletiční vrstvy, a tím tedy i oblast
prostorového náboje, se mění s rostoucím závěrným napětím. Můžeme tedy definovat tzv.
diferenciální kapacitu na jednotku plochy přechodu PN:
2
1
)(
))((
2 −
−=
−+
== UUK
UUNN
NNe
dU
dq
C D
Dad
adro
d
εε
(3.12.)
Kapacita přechodu (tzv. bariérová kapacita) v závěrném směru klesá s rostoucím napětím
(obr. 3.9.). V propustném směru naopak zpočátku vzrůstá, pokud hodnota vnějšího napětí
nezpůsobí dostatečně vysokou proudovou hustotu v propustném směru (tzv. difúzní kapacita),
přičemž vztah 3.12. přestává platit, protože s růstem propustného napětí dochází k silné
injekci minoritních nosičů přes oblast přechodu. Diody, které využívají napěťové závislosti
kapacity PN přechodu v závěrném směru, se nazývají varikapy. Jsou to v podstatě plošné
diody, zpravidla křemíkové.
Základními požadavky při návrhu a výrobě varikapů jsou zejména:
• velký závěrný odpor RD,
• malý seriový odpor RS a seriová indukčnost LS,
• velká strmost dC/dU,
• dostatečně vysoké závěrné napětí k ovládání velikosti kapacity.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
64
UR UFUD
C0
C, IF
A K
Kapacitu varikapu lze vyjádřit vztahem :
n
DU
U
C
C
)1(
0
−
= (3.13.)
C0 ………. počáteční kapacita při U = 0V
UD ………. difúzní napětí
n ……..… konstanta, jejíž hodnota je dána konstrukcí a výrobu varikapu (n ≅ 2 ÷ 3)
Varikapy se nejčastěji používají pro ladění vstupních obvodů a oscilátorů rozhlasových a
televizních přijímačů. Současné typy jsou např. BB 105, BB 109, BB 505 (7,6 – 2 pF, 1 – 28
V), BB 204G (22 – 39 pF, 30V). Varikapy se dnes vyrábějí převážně v provedení SMD,
v klasickém provedení je jejich použití stále omezenější.
Obr. 3.9. Napěťová závislost diferenciální kapacity varikapu
3.1.1.6. Vysokofrekvenční a spínací diody
Vysokofrekvenční diody a spínací diody se používají v obvodech, které pracují při vysokých
frekvencích nebo v impulsním provozu. Důležitým parametrem spínacích diod je zotavovací
doba trr (doba, za kterou závěrný proud diody poklesne na desetinu maximální hodnoty – obr.
3.3.), která má být co nejmenší. Z vysokofrekvenčních parametrů výrobce udává kapacitu
v závěrném směru CD, usměrňovací účinnost (poměr střední hodnoty jednocestně
usměrněného vf napětí a špičkové hodnoty vf napětí daného kmitočtu) a tlumicí odpor rD (vf
vstupní odpor diody v zatíženém vf usměrňovači).
Podle způsobu provedení rozeznáváme vf diody plošné (např. KA 501-504, KA 261-267)
nebo hrotové (např. GA 200-207). Spínací diody mohou být hrotové, s přivařeným hrotem,
slévané a difúzní. U nás se pro spínací účely vyráběly metodou přivařeného hrotu diody OA
5, OA 9, GAZ 51, dále pak difúzní křemíkové diody KA 221-225 a planárně-epitaxní diody
KA 206-207. Příkladem současné rychlé diody je BY 329/1000 (8 A, 1000 V, 135 ns).
Velmi dobré spínací a vysokofrekvenční vlastnosti vykazují tzv. Schottkyho diody, které
využívají vlastností přechodu kov-polovodič (např. Si nebo GaAs – zlato). Proti diodám
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
65
s přechodem PN mají malou zotavovací dobu (trr ≅ 0,01 ÷ 10 ns) a malý zotavovací náboj,
které umožňují činnost Schottkyho diod při vysokých mezních kmitočtech (Si – 18 Ghz,
GaAs – 300 Ghz), např. Schotkyho dioda SD103B (30 V, 200 mA, 10 ns).
3.2. Tranzistory
Podstata funkce tranzistoru (z anglických slov TRANSfer resISTOR) je naznačena už v jeho
názvu – transformace odporu. Jeho objev v roce 1947 znamenal převrat v elektronice a všech
oborech s ní souvisejících. Podle toho, které nosiče náboje se zúčastňují vedení proudu
tranzistorem, rozlišujeme tranzistory:
a) bipolární, jejichž podstatou činnosti je řízená injekce minoritních nosičů emitorem do
oblasti báze a následná extrakce těchto nosičů kolektorem, přičemž vedení proudu se
zúčastňují oba nosiče náboje – elektrony a díry
b) unipolární, jejichž princip činnosti je založen na ovlivňování vodivého kanálu mezi
emitorem a kolektorem příčným elektrickým polem (Field Effect Tansistor – FET),
přičemž vedení proudu v kanále je uskutečňováno prostřednictvím jednoho typu nosiče
(kanál N – elektrony, kanál P – díry).
3.2.1. Bipolární tranzistory
Bipolární tranzistor je polovodičová součástka s dvěma přechody, ve které jsou vytvořeny tři
oblasti s různým typem vodivosti, přičemž můžeme rozlišit PNP nebo NPN tranzistory. Obr.
3.10. ukazuje strukturu bipolárního tranzistoru.
Obr. 3.10. Bipolární tranzistor PNP (planární struktura)
Levou část nazýváme emitorem. Prostřední část tranzistoru je od emitoru oddělena tzv.
emitorovým přechodem JE a nazýváme ji bází. Báze je od další vrstvy, tzv. kolektoru,
oddělena kolektorovým přechodem JC.
Podstatnou činnosti bipolárního tranzistoru je řízená injekce minoritních nosičů emitorem do
oblasti báze a následná extrakce těchto nosičů kolektorem, přičemž rekombinace minoritních
nosičů v bázi musí být co nejmenší. Proto musí být hloubka báze (t.j. vzdálenost obou
depletičních vrstev) mnohem menší, než difúzní délka minoritních nosičů. Důležitou
podmínkou je i nutnost vytvoření silně nesymetrického emitorového přechodu (NaE >> NdB).
Pro dobré zesilovací účinky tranzistorů je nutné, aby plocha kolektorového přechodu byla
vetší než plocha emitorového přechodu.
E
B
C
P N P
JE JC
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
66
Bipolární tranzistor může pracovat ve čtyřech režimech, které jsou dány polaritou a velikostí
napětí na přechodech bipolárního tranzistoru:
1) Oba přechody JE , JC jsou polarizovány v závěrném směru – nevodivý stav, závěrný režim
2) Oba přechody JE , JC jsou v propustném směru – nasycený (saturační) režim – součástkou
teče velký proud, jehož hodnota je konstantní a je dána velikostí napětí napájecího zdroje
a odporu v kolektorovém obvodu
3) Emitorový přechod JE je polarizován v propustném směru, kolektorový přechod JC
polarizován závěrně – aktivní režim – nejčastější stav, ve kterém se tranzistor využívá,
proudem báze můžeme řídit velikost proudu v kolektorovém i emitorovém obvodu (obr.
3.11.)
4) Emitorový přechod JE je polarizován závěrně, kolektorový přechod je polarizován
v propustném směru – inverzní režim – vede po překročení mezních údajů emitorového
přechodu v závěrném směru (vždy podstatně menší než v kolektorovém přechodu) ke
zničení součastky.
Obr. 3.11. Bipolární tranzistor PNP s připojenými vnějšími napětími
Schopnost tranzistoru zesilovat výkon je nazvána tzv. tranzistorovým jevem, který je základní
vlastností tranzistoru. Emitorem injektované minoritní nosiče (pro PNP díry, NPN elektrony)
procházejí bází v důsledku difúze (obr. 3.11.), částečně v ní rekombinují (přívodem báze teče
proud majoritních nosičů nutných k rekombinaci), přičemž větší část se dostává do oblasti
kolektorového přechodu, který způsobuje extrakci těchto minoritních nosičů. Proudy tekoucí
oběma přechody (emitorovým i kolektorovým) jsou přibližně stejné (rekombinaci omezujeme
konstrukčním uspořádáním), avšak odpor emitorového přechodu je mnohem menší
(propustný směr) než odpor kolektorového přechodu (závěrný směr). Poměr napětí na
výstupu a vstupu tranzistoru je značný, z čehož pak vyplývá napěťové a výkonové zesílení
tranzistoru.
Emitorový proud je tvořen především proudem injektovaných minoritních nosičů z emitoru
do báze (díry) IpE a vlivem zpětné injekce také proudem minoritních nosičů z báze do emitoru
(elektrony) InE.
Zanedbáním rekombinačního proudu emitorového přechodu je možné definovat tzv. injekční
účinnost editoru:
nEpE
pE
E
pE
E
II
I
I
I
+
==γ (3.14.)
UEB UCB
IE IC
JE JC
P PN
IB
==
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
67
UEB -UCB
IE -IC
-IB
a)
-UEB
UCB
-IE IC
IB
b)
a činitel přenosu minoritních nosičů procházejících bází působením gradientu koncentrace
minoritních nosičů:
pC
pE
I
I
=χ (3.15.)
Zanedbáme-li rekombinaci a generaci nosičů náboje, bude proud kolektorovým přechodem
při nulové injekci (IpE = 0) dán proudem minoritních nosičů (elektrony – kolektor, díry –
báze) závěrně polarizovaného přechodu ICB0. Vlivem injekce minoritních nosičů (IpE ≠ 0)
dojde ke zvětšení proudu kolektorovým přechodem. Proud kolektoru bude určen vztahem :
0 0C CB pC CB N EI I I I Iα= + = + (3.16.)
kde αA je proudový zesilovací činitel v zapojení se společnou bází v normálním aktivním
režimu, který je vždy menší než jedna (0,95 ÷ 0,998).
Proudový zesilovací činitel v zapojení se společnou bází závisí na:
a) proudu emitoru – při malých proudech klesá injekční proud na úkor rekombinačního
proudu, při velkých proudech roste koncentrace minoritních nosičů v bázi, a proto roste i
zpětná injekce, čímž klesá účinnost emitoru
b) na napětí kolektoru – nárazová multiplikace IC = MICBO + MαNIE
3.2.1.1. Základní zapojení bipolárních tranzistorů
Při popisu vlastností bipolárního tranzistoru se nejčastěji využívá obecné teorie dvojbranů
(čtyřpólů). Podle toho, která elektroda tranzistoru je společná pro vstupní i výstupní svorky
aktivního dvojbranu (čtyřpólu), rozlišujeme tři základní zapojení tranzistoru:
a) zapojení se společnou bází (SB)
Obr. 3.12. Zapojení tranzistoru se společnou bází
a) PNP tranzistor b) NPN tranzistor
Společnou svorkou pro vstupní a výstupní svorky dvojbranu je zde báze, přičemž orientace
napětí a proudů odpovídá spotřebičové orientaci elektrických veličin dvojbranů (obr. 3.12.).
Výstupní proud IC je určen rovnicí 3.16.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
68
UBC
-IB
IE
-IC
UEC
a)
-UBC
IB
-IE
IC
-UCE
b)
-UBE UBE
-IB
-IC
IB
IC
-IE
IE
-UCE
UCE
a) b)
b) zapojení se společným emitorem (SE)
Společnou svorkou pro vstupní a výstupní svorky dvojbranu je zde emitor.
Obr. 3.13. Zapojení tranzistoru se společným emitorem
a) PNP tranzistor b) NPN tranzistor
Vztah pro výstupní proud IC získáme dosazením rovnice
BCE III += (3.17.)
do vztahu 2.16. Pak lze kolektorový proud IC vyjádřit vztahem:
BNCEB
N
N
N
CB
C III
I
I β
α
α
α
+=
−
+
−
= 0
0
11
(3.18.)
ICE0 ……..… zbytkový proud kolektoru zapojení SE
βN ..…….…. proudový zesilovací činitel v zapojení SE (βN >> 1) v normálním aktivním
režimu
c) zapojení se společným kolektorem (SC)
Společnou svorkou pro vstupní a výstupní svorky dvojbranu je zde kolektor.
Obr. 3.14. Zapojení tranzistoru se společným kolektorem
a) PNP tranzistor b) NPN tranzistor
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
69
Výstupní proud tranzistoru IE v zapojení SC určíme opět z rovnic (3.16.), (3.17.):
BNCEB
NN
CB
E III
I
I )1(
1
1
1
0
0
++=
−
+
−
= β
αα
(3.19.)
Další charakteristické údaje jednotlivých zapojení jsou shrnuty v následující tabulce.
Zapojení
SB SE SC
Proudové 0,95 ÷ 0,998 10 ÷ 500 10 ÷ 500
Napěťové 10 ÷ 100 10 ÷ 100 0,9 ÷ 0,99Zesílení
Výkonové 10 ÷ 100 100 ÷ 104
10 ÷ 100
Vstupní 10Ω ÷ 100Ω 100Ω ÷ 1kΩ 10kΩ ÷ 1MΩImpedance
Výstupní 0,1MΩ ÷ 1MΩ 10kΩ ÷ 100kΩ 100Ω ÷ 1kΩ
Mezi napětími 0° 180° 0°Fázový posun
Mezi proudy 0° 0° 180°
Tab. 3.1. Charakteristické údaje základních zapojení bipolárního tranzistoru
Z uvedených údajů vyplývá, že tranzistor v zapojení SB, SC se bude nejčastěji používat jako
měnič impedance. Výhodné vlastnosti zapojení tranzistoru se společným emitorem SE bude
využíváno zejména v zesilovačích.
3.2.1.2. Stejnosměrné charakteristiky bipolárního tranzistoru
Pro odvození stejnosměrných (statických) charakteristik bipolárního tranzistoru použijeme
Ebers-Mollův model ideálního tranzistoru (obr. 3.15.)
Proudy tekoucí diodami jsou popsány vztahy :
)1(exp −=
T
EB
ESDE
U
U
II (3.20.)
)1(exp −=
T
CB
CSDC
U
U
II (3.21.)
Z obr. 3.15. můžeme vyjádřit emitorový proud a kolektorový proud ve tvaru :
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
70
E
UCBUEB
IDE IDC
IE IC
E’ C’
B’
αIIDC αNIDE
a)
B
IDEÁLNÍ
TRANZISTOR
CE’ C’
B’
Ree
’
Rcc
’
Rbb
’
b)
E
DCIDEE III α−= (3.22.)
DCDENC III −= α (3.23.)
Obr. 3.15. Ebers-Mollův model a) ideálního b) reálného tranzistoru
Dosazením (3.20.), (3.21.) do (3.22.), (3.23.) a následující úpravou získáme vztahy :
)1(exp)1(exp −−−=
T
CB
CSI
T
EB
ESE
U
U
I
U
U
II α (3.24.)
)1(exp)1(exp −−−=
T
CB
CS
T
EB
ESNC
U
U
I
U
U
II α (3.25.)
IN
EBO
ES
I
I
αα−
=
1
(3.26.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
71
IB
IC
UBE
UCE
IB1 < IB2 < IB3
IB = konstIC = f (UCE)UCE = konstIC = f (IB)
IB = 0 (ICE0)
IB1
IB2
IB3
UCE = 0
P1
UCE1
UCE2
UCE = konstUBE = f (IB) IB = konstUBE = f (UCE)
IB1 < IB2
IB1
IB2
P1
P1 P1
UCE2
UCE2IB2
I.II.
III. IV.
IN
CBO
CS
I
I
αα−
=
1
(3.27.)
αN, αI ……. proudový zesilovací činitel v zapojení SB v normálním
(resp. inverzním) aktivním režimu
IES, ICS …… saturační proudy emitorového (resp. kolektorového) přechodu
IEBO ….…... zbytkový proud emitoru v zapojení SB při IC = 0 a UEB < 0
ICBO ……… zbytkový proud kolektoru v zapojení SB při IE = 0 a UCB < 0
Ze vztahu (3.24.), resp. (3.25.) je zřejmé, že saturačními proudy IES, ICS, jsou saturační proudy
emitorového, resp. kolektorového (UCB = 0), resp. emitorového (UEB = 0), přechodu.
Skutečné průběhy stejnosměrných charakteristik jsou ovlivněny úbytky na sériových
odporech ree
’
, rcc
’
, rbb
’
(obr. 3.18b.) a jevy interakce obou přechodů PN. Pro bipolární
tranzistor pak obdržíme síť charakteristik, které vyjadřují vlastnosti tranzistoru pro jednotlivá
zapojení.
Obr. 3.16. Charakteristiky bipolárního tranzistoru v zapojení se společným emitorem
Charakteristiky tranzistoru v zapojení se společným emitorem ukazuje obr. 3.16. V prvním
kvadrantu sítě charakteristik jsou zakresleny tzv. výstupní charakteristiky naprázdno.
S růstem bázového proudu roste i velikost výstupního kolektorového proudu. Strmost tzv.
proudové převodní charakteristiky nakrátko v druhém kvadrantu udává proudový zesilovací
činitel β (h21E). V třetím kvadrantu je znázorněna tzv. vstupní charakteristika nakrátko.
Závislost vstupní charakteristiky na napětí UCE je zanedbatelná, proto se často vstupní
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
72
u1
i1
h11
i2
u2
h12u2 h21i1
1
h22
a)
i1 i2
u1 u2y11 y22
y12u2 y21i1
b)
charakteristika udává pro jedinou hodnotu UCE. Grafická závislost vstupního napětí na
výstupním je znázorněna ve čtvrtém kvadrantu formou tzv. zpětné napěťové převodní
charakteristiky naprázdno pro různé hodnoty bázového proudu. Vlastnosti tranzistoru
v daném zapojení jsou určeny polohou tzv. pracovního bodu P.
3.2.1.3. Charakteristické parametry bipolárního tranzistoru
Vlastnosti obecného dvojbranu (čtyřpólu) lze popsat dvojicí tzv. charakteristických rovnic,
které vyjadřují vzájemné vztahy mezi vstupními a výstupními obvodovými veličinami
dvojbranu. Pro popis bipolárního tranzistoru v obvodech nf napětí a proudu se nejčastěji
používají hybridní charakteristické rovnice, resp. admitační charakteristické rovnice pro
některé vf aplikace.
Obecně lze hybridní charakteristické rovnice vyjádřit :
2121111 uhihu += (3.28.)
2221212 uhihi += (3.29.)
resp. admitační charakteristické rovnice :
2121111 uyuyi += (3.30.)
2221212 uyuyi += (3.31.)
Uvedeným rovnicím pak odpovídají obecná náhradní lineární schémata (obr. 3.17.).
Obr. 3.17. Obecné náhradní lineární schéma tranzistoru
a) s hybridními čtyřpólovými parametry
b) s admitačními čtyřpólovými parametry
Pro vzájemný přepočet hybridních a admitačních parametrů můžeme použít následujících
vztahů:
11
11
1
h
y =
11
11
1
y
h = (3.32.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
73
11
12
12
h
h
y −=
11
12
12
y
y
h −= (3.33.)
11
21
21
h
h
y =
11
21
21
y
y
h = (3.34.)
11
22
h
D
y h
=
11
22
y
D
h
y
= (3.35.)
21122211 yyyyDy −= (3.36.)
21122211 hhhhDh −= (3.37.)
Pro jednotlivá základní zapojení tranzistoru (SB, SE, SC) pak obdržíme vždy dvě
charakteristické rovnice s hybridními, resp. admitačními parametry, které se vzájemně
odlišují. Podle druhu zapojení je pak nutno do rovnice (3.28.) až (3.31.) dosazovat parametry
s indexem podle elektrody, která je společná. Pro nejčastěji užívané zapojení se společným
emitorem je možno psát:
CEeBeBE uhihu 1211 += (3.38.)
CEeBeC uhihi 2221 += (3.39.)
kde jsou:
B
BE
e
di
du
h =11 , .konstuCE = (3.40.)
tzv. vstupní impedance nakrátko
CE
BE
e
du
du
h =12 , .konstiB = (3.41.)
tzv. zpětný napěťový činitel nakrátko
B
C
e
di
di
h =21 , konstuCE = (3.42.)
tzv. proudový zesilovací činitel nakrátko
CE
C
e
du
di
h =22 , .konstiB = (3.43.)
tzv. výstupní admitance naprázdno
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
74
nebo
CEeBEB uyuyi 1211 += (3.44.)
CEeBEeC uyuIi 2221 += (3.45.)
kde jsou
BE
B
e
du
di
y =11 , konstuCE = (3.46.)
tzv. vstupní admitance nakrátko
CE
B
e
du
di
y =12 , konstuBE = (3.47.)
tzv. zpětná admitance nakrátko
BE
C
e
du
di
y =21 , konstuCE = (3.48.)
tzv. přenosová admitance nakrátko (strmost)
CE
C
e
du
di
y =22 , konstuBE = (3.49.)
tzv. výstupní admitance nakrátko.
Diferenciální parametry hij, yij jsou stanoveny pro malé úrovně zpracovávaného střídavého
signálu (okamžité hodnoty střídavého signálu jsou mnohem menší než stejnosměrná napětí a
proudy, které charakterizují polohu klidového pracovního bodu v síti charakteristik
bipolárního tranzistoru – obr. 3.16.) a jsou obecně závislé na:
1) základním zapojení (SB, SE, SC)
2) poloze klidového pracovního bodu
3) kmitočtu přenášeného signálu
4) teplotě tranzistoru
Hybridní diferenciální parametry hij se používají pro nf aplikace a stanovují se pro f = 1kHz.
Admitanční parametry se používají pro některé vf aplikace, kde mají komplexní charakter.
Kromě náhradních schémat se čtyřpólovými parametry se používají také fyzikální náhradní
schemata, např. náhradní schéma ve tvaru T-článku nebo Π-článku, jehož různé varianty
vycházejí ze základního Giacolletova schématu (obr. 3.18.). Bližší údaje o schématech a
výpočtu jejich prvků nalezne zájemce v odborné literatuře.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
75
UBE
uCE
iB iC
rBB
´
rB
´
E
uB
´
E
CB
´
E
S.uB
´
E
rB
´
C
CB
´
C
rCE
C
EE
B
B´
h21b, h21e
100
10
1
h21e0
h21e
h21b0
fh21e f f1 fh21b f
Obr. 3.18. Giacolletovo náhradní schéma bipolarního tranzistoru v zapojení SE
3.2.1.4. Mezní kmitočty bipolárního tranzistoru
Proudové změny ve vstupním obvodu tranzistoru pracujícího jako aktivní prvek
v elektronických obvodech s nf signálem se projeví okamžitou odezvou ve výstupním
obvodu. Toto však přestává platit v případě, že doba periody zpracovávaného signálu je
srovnatelná s dobou, kterou potřebují nosiče náboje k překonání vzdálenosti mezi emitorovým
a kolektorovým přechodem a která souvisí s konečnou pohyblivostí nosičů náboje.
V závislosti na kmitočtu se kolektorový proud tranzistoru zmenšuje a současně se zvětšuje
fázový posun mezi emitorovým a kolektoroým proudem. Pro návrh elektronických obvodů
s tranzistory je důležitá závislost proudových zesilovacích činitelů h21b, h21e na kmitočtu (obr.
3.19.).
Obr. 3.19. Frekvenční závislost proudových zesilovacích činitelů bipolárního tranzistoru
Z kmitočtové závislosti proudových zesilovacích činitelů lze stanovit následující kmitočtové
parametry :
a) bod zlomu obou přímek odpovídá mezní kmitočet fh21b, resp. fh21e, který je definován
poklesem zesilovacího činitele na hodnotu 2/021bhf , 2/021ehf vzhledem k jeho
velikosti fh21b0, fh21e0 při nízkých kmitočtech.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
76
b) od mezního kmitočtu probíhá kmitočtová závislost přibližně s poklesem 20dB na dekádu.
Součin kmitočtu f s odpovídající hodnotou h21e na tomto úseku určuje tzv. tranzitní mezní
kmitočet fT = f . h21e.
c) kmitočet f1, při kterém se proudový zesilovací činitel v zapojení se společným emitorem
zmenší na hodnotu 1 (h21e = 1), se nazývá jednotkový mezní kmitočet.
3.2.1.5. Mezní parametry bipolárního tranzistoru
Kromě charakteristických údajů jako např. doporučený pracovní bod, hodnoty h-parametrů,
y-parametrů, mezní kmitočty aj. je nutné znát pro návrh obvodů s tranzistory i parametry
určující dovolenou pracovní oblast tranzistoru. Po jejich překročení může dojít k nezvratným
změnám parametrů a zničení tranzistoru. K těmto parametrům patří zejména:
a) maximální kolektorová ztráta PCmax, která je určena maximální teplotou přechodu a
souvisí prostřednictvím tepelného odporu mezi přechodem a okolím s ochlazovacími
podmínkami při činnosti tranzistoru. Ztrátový výkon tranzistoru lze vyjádřit vztahem :
CCCECCBCCBBBEZ PIUIUIUIUP =≅≅+= (3.50.)
T
oj
C
R
TT
P
−
=
max
max (3.51.)
Tjmax [K] ...……. dovolená mezní teplota kolektorového přechodu
To [K] …..….. teplota okolí
RT [KW-1
] ...……. celkový tepelný odpor mezi přechodem a okolím
b) maximální kolektorový proud ICmax, který je určen konstrukcí tranzistoru a PCmax
c) maximální proud báze IBmax, který je opět určen konstrukcí tranzistoru
d) mezní napětí emitor - báze UEB0, je mezní napětí závěrně polarizovaného emitorového
přechodu
e) mezní napětí kolektor - báze UCB0 je mezní napětí závěrné polarizovaného kolektorového
přechodu, který je nejvyšší z přípustných napětí mezi elektrodami tranzistoru
f) mezní napětí kolektor - emitor UCE0, je napětí mezi kolektorem a emitorem při
rozpojeném bázovém obvodu (RBE → ∞). Při překročení mezního napětí mezi kolektorem
a emitorem může vzniknout tzv. první průraz (lavinový), který je způsoben lavinovou
generací v depletiční vrstvě kolektorového přechodu. Je-li proud omezen zatěžovacím
odporem dostatečné velikosti je tento průraz nedestruktivní. V důsledku nerovnoměrného
rozdělení proudu, který prochází kolektorovým přechodem, dochází vlivem tzv. pinch-inefektu
k lokálnímu poklesu odporu depletiční vrstvy, přičemž může vzniknout lokální
přehřátí a posléze roztavení uvažovaného místa přechodu (tzv. druhý průraz, který
omezuje pracovní oblast zejména výkonových tranzistorů). Maximální napětí mezi
kolektorem a emitorem závisí na vlastnostech vstupního bázového obvodu a je určeno
velikostí vnějšího odporu RBE mezi bází a emitorem (UCER) a velikostí závěrného napětí na
emitorovém přechodu (UCEX).
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
77
UNIPOLÁRNÍ TRANZISTORY
JFET IGFET
JFET
kanál
MESFET MISFET
TFT
tenkovrstvý
MNSFET MNOSFET
MOSFET
s vodivým kanálem s indukovaným
P N P N
kanál
3.2.1.6. Značení bipolárních tranzistorů
K označování tranzistorů se používá značka, která se skládá z písmenové a číselné části. První
písmeno označuje polovodičový materiál, z něhož je tranzistor vyroben :
G ….. germanium (v zahraničí A)
K ….. křemík (v zahraničí B)
Druhé písmeno označuje konstrukci, resp. hlavní použití tranzistoru :
C ….. nf tranzistor malého výkonu (např. BC327)
D ….. nf výkonový tranzistor (např. BD139)
F ….. vf tranzistor malého výkonu (např. BF506)
L ….. vf výkonový tranzistor (BLF245, BLW29)
P ….. fotodioda nebo fototranzistor (např. BPW21)
U ….. výkonový spínací tranzistor (např. BU508)
3.2.2. Unipolární tranzistory
Pracuje-li bipolární tranzistor v normálním aktivním režimu je emitorový přechod polarizován
v propustném směru. Z toho vyplývá malý vstupní odpor této polovodičové součástky. Na
rozdíl od tranzistoru je v případě vakuové elektronky řízen pracovní proud napětím mezi
mřížkou a katodou a vzhledem k tomu, že tyto dvě elektrody nejsou galvanicky spojeny,
představuje řídící obvod elektronky velký vstupní odpor a tedy vyžaduje minimální výkon
zdroje signálu, což je v mnoha aplikacích zejména, má-li zdroj signálu velkou vnitřní
impedanci, užitečná vlastnost. Proto byla snaha sestrojit polovodičový prvek, který by měl
podobné vlastnosti jako elektronka a přitom si zachoval ostatní výhodné vlastnosti
polovodičových prvků. Tímto prvkem se stal tranzistor řízený elektrickým polem, které je
vytvořeno napětím mezi řídicí elektrodou a emitorem tranzistoru.
Obr. 3.20. Rozdělení unipolárních tranzistorů
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
78
N+
B
E(S) G
P
N+
C(D)
SiO2
Podle provedení se unipolární tranzistory dělí na dvě hlavní skupiny :
1) tranzistory s izolovaným hradlem, u kterých je řídicí elektroda oddělena vrstvou
dielektrika (zkráceně MISFET – Metal-Insulator-Semiconductor FET nebo IG FET –
Insulated-Gate FET)
2) tranzistory s hradlem odděleným potenciální barierou tvořenou
a) PN přechodem, který je pólován v závěrném směru (zkráceně PNFET nebo JFET –
Junction FET)
b) Schottkyho přechodem, který je pólován v závěrném směru MESFET – MetalizedSemiconductor
FET).
Další členění unipolárních tranzistorů ukazuje obr. 3.20.
3.2.2.1. Unipolární tranzistory s izolovaným hradlem
Nejrozšířenějším představitelem této skupiny unipolárních tranzistorů je tranzistor se
strukturou MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor FET), jehož strukturu ukazuje obr. 3.21.
V polovodičové destičce (substrátu) s vodivostí typu P jsou vytvořeny dvě oblasti s vyšší
koncentrací příměsí N+
, nazývající se emitor (source – S) a kolektor (drain – D). Řídicí
elektroda (gate – G) je od substrátu oddělena tenkou vrstvou kysličníku křemičitého SiO2.
V důsledku existence povrchových stavů na rozhraní izolant – polovodič vzniká v izolační
vrstvě povrchový náboj, který přitahuje minoritní nosiče substrátu k rozhraní izolant –
polovodič, vzniká vodivý kanál (v uvedenéjm případě typu N), který spojuje obě oblasti N+
.
Vodivý kanál mezi oběma oblastmi N+
existuje i při nulovém napětí mezi řídicí elektrodou a
emitorem. V případě, že povrchový náboj na rozhraní izolant – polovodič způsobuje
odpuzování minoritních nosičů (opačné znaménko náboje), k vytvoření kanálu nedojde.
Obr. 3.21. Struktura bipolárního tranzistoru MOSFET
Při kladném napětí na řídicí elektrodě vůči emitoru dochází k dalšímu přitahování minoritních
nosičů k řídicí elektrodě, přičemž se zvyšuje vodivost kanálu. Při zvyšování napětí mezi
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
79
b) s obohacováním kanálu
- IC[mA] - IC[mA]
- UGE[V] - UCE[V]
UGE < 0
|UGE | >|UP|
UGE = konstIC = f(UCE)
UP
UCE = konstIC = f(UGE)
IC[mA] IC[mA]
-UGE[V] UCE [V]
UGE > 0
UGE = 0
UGE < 0
a) s ochuzováním kanálu
UGE[V]
UCE = konstIC = f(UGE)
UGE = konstIC = f(UCE)
emitorem a kolektorem UCE se zvětšuje také proud IC. Při určité hodnotě UCE = UCESAT
dochází k zaškrcení kanálu u kolektoru, kolektorový proud IC se mění málo, i když se napětí
UCE zvyšuje. Při záporné polaritě napětí na řídicí elektrodě dochází k vytvoření záporně
vázaného povrchového náboje na rozhraní SiO2-N-kanál, který odpuzuje elektrony z kanálu,
jeho vodivost klesá a snižuje se i proud IC. Popsaný typ tranzistoru MOSFET se nazývá
tranzistor s ochuzováním nebo v režimu ochuzení.
Kromě tranzistoru MOSFET s vodivým kanálem existují i tranzistory s tzv. indukovaným
kanálem, u kterých není souvislý vodivý kanál mezi kolektorem a emitorem při nulovém
napětí řídicí elektrody. Tento kanál vzniká teprve působením napětí řídicí elektrody, která
opět způsobuje přitahování minoritních nosičů z objemu základny a vytvoření vodivého
kanálu, přičemž při napětí UCE ≠ 0 začíná protékat proud IC až od určité prahové hodnoty
napětí UGE = Up. Při nadprahových hodnotách napětí hradla se tranzistory s indukovaným
kanálem chovají stejně jako tranzistory s vodivým kanálem. Při nižších napětích než je
prahové, je kanál nevodivý, neboť je přerušen oblastí s opačnou vodivostí.
Obr. 3.22. Výstupní a převodní charakteristiky MOSFET v zapojení SE
a) s vodivým kanálem typu N b) s indukovaným kanálem typu P
Tento tranzistor se nazývá tranzistor s obohacováním nebo v režimu obohacení. Z uvedeného
vyplývá, že unipolární tranzistor s vodivým kanálem může pracovat v obou režimech
(obohacování i ochuzování kanálu). Izolační vrstva z SiO2 má sklon k hromadění kladných
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
80
iontů (kladný povrchový náboj na rozhraní SiO2-kanál), a proto je technologicky snadnější
vytvoření tranzistorů MOSFET s vodivým kanálem typu N a tranzistory MNOSFET
s indukovaným kanálem typu P. Polarita napětí u MNOSFET s kanálem typu P je pak opačná
proti typu N. Na obr. 3.22. jsou zobrazeny výstupní a převodní charakteristiky unipolárních
tranzistorů MOSFET v zapojení SE.
3.2.2.2. Unipolární tranzistory s hradlem odděleným potenciální barierou
Princip činnosti této skupiny unipolárních tranzistorů bude objasněn na příkladu tranzistoru
s hradlem odděleným závěrně pólovaným PN přechodem. Strukturu unipolárního tranzistoru
JFET ukazuje obrázek 3.23. Do základny (substrátu) s vodivostí N s nízkou koncentrací
příměsí je vytvořena oblast P+
s vyšší koncentrací příměsí. Závěrná (depletiční) vrstva
vzniklého přechodu P+
-N se pak převážně rozšiřuje do substrátu. Pod ní vzniká vodivý kanál,
kterým procházejí majoritní nosiče substrátu.
Přivedeme-li mezi řídicí a zdrojovou elektrodu záporné napětí, rozšíří se závěrná vrstva na
úkor šířky kanálu, která se tím zmenší, čímž se změní jeho vodivost. Při dostatečně velkém
záporném napětí se rozšíří závěrná vrstva tak, že úplně uzavře vodivý kanál. Narůstání
závěrné vrstvy je však ovlivněno nejen napětím řídicí elektrody, ale také napětím mezi
zdrojovou (emitorem) a sběrnou elektrodou (kolektorem). Přivedeme-li napětí UCE > 0, bude
se podél kanálu měnit napětí na přechodu P+
N tak, že na konci kanálu (tzn. u sběrné
elektrody) bude závěrné napětí přechodu největší a zúžení kanálu bude maximální.
Překročením napětí UCE = UCESAT dojde k uzavření (zaškrcení) kanálu, přičemž další
zvyšování napětí nemá vliv na velikost proudu tekoucího kanálem. Hodnota saturačního
proudu ICSAT, která se již prakticky nebude měnit, je dána počtem majoritních nosičů, které
svým pohybem překonají hranici kanálu N – závěrná oblast.
Obr. 3.23. Struktura tranzistoru JFET
Převodní výstupní charakteristiky JFETu se kvalitativně neliší od charakteristik MOSFETu.
Rozdíl mezi oběma je, že u MOSFETu bylo možné použít řídící napětí obou polarit, u JFETu
to možné není, poněvadž lze použít jen takovou polaritu, která udržuje řídicí přechod PN
polarizovaný v závěrném směru (obr. 3.24.)
P+
P+
S
(E)
D
(C)
G
N
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
81
UGE[V] UCE[V]
UGE1 = 0
UGE2 < 0
UGE = konstIC [mA]
UCE = konst
UGE3 < 0
Obr. 3.24. Výstupní a převodní charakteristiky JFET s vodivým kanálem N
3.2.2.3. Charakteristické parametry a základní zapojení unipolárních tranzistorů
Unipolární tranzistory se obvykle popisují admitačními parametry, které jsou vhodnější
s ohledem na velké impedance unipolárních tranzistorů. Pro malé změny vstupních a
výstupních veličin je možno napsat admitační rovnice pro zapojení SE :
CEeGEeG uyuyi 1211 += (3.52.)
CEeGEeC uyuyi 2221 += (3.53.)
kde jsou
GE
G
e
du
di
y =11 , 0=CEdu (3.54.)
tzv. vstupní admitance nakrátko
GE
C
e
du
di
y =21 , 0=CEdu (3.55.)
tzv. převodní admitance (strmost) nakrátko
GE
C
e
du
di
y =12 , 0=GEdu (3.56.)
tzv. zpětná admitance nakrátko
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
82
CE
C
e
du
di
y =22 , 0=GEdu (3.57.)
tzv. výstupní admitance nakrátko
Použitím y-parametrů lze sestavit náhradní schéma tranzistoru FET (obr. 3.25.)
Obr. 3.25. Náhradní schéma FET
Vstupní impedance tranzistorů FET má odporovou a kapacitní složku. Vstupní kapacita bývá
několik pF. Na nízkých kmitočtech je vstupní impedance určena odporem mezi hradlem a
kanálem, u JFETu bývá 109
Ω, u MOSFETu až 1015
Ω. Výstupní impedance ma opět
odporovou složku (určená sklonem kolektorových výstupních charakteristik) a kapacitní
složku (určena kapacitou CCE). Výstupní odpor řadově desítky kΩ, kapacita jednotky pF.
Unipolární tranzistory při běžném užití nepracují při tak velkých proudech a napětí kolektoru,
aby byly přetíženy tepelně. Hlavním parametrem, jehož překročení vede ke zničení
tranzistoru, je napětí hradla proti kanálu, popř. substrátu. Více odolné jsou tranzistory JFET,
kde hrdlo s kanálem tvoří diodu, u tranzistorů MOSFET je nebezpečí průrazu izolační vrstvy
mnohem větší. Proto výrobci dodávají tranzistory MOSFET se zkratovací spojkou, která se
odstraní až po zapájení tranzistoru do obvodu, přičemž ochrana hradla se provádí např.
pomocí antiparalelně řazených diod.
Základní zapojení tranzistoru FET je obdobné jako u bipolárních a to :
1) se společným hradlem,
2) se společným emitorem,
3) se společným kolektorem.
Základní použití FET: zesilovače s velkým vstupním odporem, napěťově řízené odpory,
spínače, časovací obvody. Současně používané typy unipolárních tranzistorů jsou např. JFET
s kanálem N BF245, MOSFET s kanálem N IRF 540, IRF840, BS107, BUZ80A.
iG iC
UGE UCEy11e y22e
y21eUGE
y21eUCE
E
G C
E
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
83
P+
UE
UBB
IBB
IE
B1
B2
Rb2
Rb1
UBB = 0 UBB > 0
IE
UA
UEB1
U(B0)
A
B2
B1
E
3.3. Spínací polovodičové součástky
3.3.1. Dvoubázová dioda
Dioda s dvěma bázemi, často označována jako jednopřechodový tranzistor (zkratka UJT), je
křemíková součástka s jedním přechodem PN a se třemi vyvedenými elektrodami
nazývanými emitor E, báze B1, báze B2 (obr. 3.26.).
Obr. 3.26. Struktura UJT a jeho VA charakteristika
Při nulovém napětí UBB se dvoubázová dioda chová ze strany emitoru jako běžná dioda. Je-li
napětí UBB kladné, rozdělí se napětí rovnoměrně mezi bázemi B2, B1. V místě A základní
polovodičové destičky vytvoří procházející proud IBB napětí,
BB
BB
B
A U
RR
R
U
21
1
+
= (3.58.)
které polarizuje přechod PN v závěrném směru. Je-li napětí přiváděné k emitoru nižší než UA,
je emitorový přechod polarizován závěrně a prochází jím velmi malý závěrný proud. Vzrosteli
napětí UE nad UA přibližně o hodnotu rovnou úbytku na diodě v propustném směru, začne
emitorový přechod vstřikovat díry do základní vrstvy typu N. Působením vnějšího
elektrického pole vyvolaného napětím UBB se budou injektované díry pohybovat ke svorce B1
a zvýší vodivost mezi emitorem E a bází B1. Zvýšení vodivosti (pokles odporu) bude tím
větší, čím větší bude emitorový proud. Na VA charakteristice měřené mezi emitorem a bází
B1 se tento stav projeví oblastí záporného odporu. Nejdůležitějším parametrem je spínací
napětí UBO, pro které platí vztah
FBBB UUU ∆+= .0 η (3.59.)
η ….............. konstanta udaná výrobcem pro každý typ diody (0,4 ÷ 0,85)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
84
P
N
P
J1
J2
A1
A2
A1 A2
U(BR)CEO U(BR)CBO
UA
IA
∆UF ……….. úbytek na PN přechodu v propustném směru (∆UF = 0,7V)
Napětí UBB se obvykle pohybuje v rozmezí 10 až 30 V. Příkladem UJT je typ 2N2646 (UBB =
35 V, UEB = 30 V, IAV = 50 mA)
3.3.2. Diak
Diak je třívrstvá polovodičová součástka se dvěma přechody, které navzájem oddělují vrstvy
s opačným typem vodivosti. V podstatě pracuje jako symetrický tranzistor v zapojení se
společným emitorem bez přívodu báze. Při své činnosti využívá vlastností nedestruktivního
lavinového průrazu v závěrně polarizovaném přechodu PN.
Obr. 3.27. Struktura a VA charakteristika diaku
Vlastnosti diaku vystihuje jeho VA charakteristika (obr. 3.27.), která je symetrická (diak je
symetrický prvek). Protože v sepnutém stavu má značný úbytek (má i velký odpor 5 ÷ 50 kΩ)
nehodí se pro trvalé spínání. Výhodou je fakt, že se dá sepnout i vypnout relativně malou
změnou napájecího napětí. Využívá se k vytváření proudových impulsů pro spínání tyristorů a
triaků. Příkladem diaku je typ ER901 (35 – 45 V).
3.3.3. Tyristory
Tyristor je čtyřvrstvý polovodičový prvek se třemi PN přechody. Základem všech tyristorů je
struktura NPNP nebo PNPN, která je nejvíce rozšířená. Podle počtu vývodů pak existují:
a) diodový tyristor (dinistor),
b) triodový tyristor (trigistor),
c) tetrodový tyristor (binistor).
Nejčastěji je v aplikacích využíván triodový tyristor, který je zkráceně označován jen jako
tyristor. Podle umístění řídicí elektrody je možno rozlišit tyristor typu N, nebo P.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
85
A
G
K
J1
J2
J3
P
N
P
N
A
G
K
A
G
K
IE2=IA+IG
IG
IA=IE1
IC1
IC2
α1
α2
G
P
P P
N N
N
A
K
Obr. 3.28. Struktura a náhradní schéma triodového tyristoru PNPN typu P
Po funkční stránce lze čtyřvrstvou strukturu nahradit zapojením dvou tranzistorů (obr. 3.28.),
které mají společný kolektorový přechod. Principem činnosti těchto součástek je tzv.
tyristorový jev, jehož vznik je podmíněn závislostí proudových zesilovacích činitelů α1 a α2
obou náhradních tranzistorů na proudech emitorů. Druhou podmínkou správné činnosti
tyristorů je vznik tzv. multiplikačního jevu v oblasti závěrně polarizovaného přechodu PN J2.
Vzrůstá-li závěrné napětí, zvyšuje se šířka vyprázdněné oblasti kolem přechodu PN. Dosáhneli
závěrné napětí hodnoty průrazného napětí, jsou volné nosiče urychleny elektrickým polem
tak, že při srážkách s krystalovou mříží uvolňují další páry elektron-díra, které mohou
generovat další nové páry. Poměr počtu nosičů vystupujících z depletiční vrstvy k počtu
nosičů vystupujících je tzv. multiplikační činitel M. Z náhradního schématu na obr. 3.30. je
zřejmé, že pro kolektorové proudy tranzistorů platí :
1101 EpCC III α+= (3.60.)
2202 EnCC III α+= (3.61.)
IE1, IE2 ……. emitorové proudy tranzistorů T1, T2
IC0p, IC0n …. děrová a elektronová složka zbytkového proudu společného kolektorového
přechodu J2
Pro anodový proud čtyřvrstvé struktury lze psát
GECCA IIIII −=+= 221 (3.62.)
Dosazením za IC1, IC2 obdržíme
nCpCGAA IIIII 00221 )( ++++= ααα (3.63.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
86
a po úpravě
)(1 21
002
αα
α
+−
++
=
nCpCG
A
III
I (3.64.)
S respektováním vlivu multiplikačního jevu lze rovnici 2.64. přepsat na tvar
)(1 21
002
np
nCnpCpGn
A
MM
IMIMIM
I
αα
α
+−
++
= (3.65.)
kde Mn a Mp jsou multiplikační činitelé elektronů a děr. Vztah 3.65. umožňuje popsat
základní vlastnosti čtyřvrstvé struktury při spínání. Pro malé hodnoty α1 a α2 je anodový
proud velmi malý, tyristor je ve vypnutém stavu. Bude-li se výraz v závorce blížit jedné, bude
jmenovatel výrazu velmi malý a proud tyristorovou strukturou bude velmi rychle narůstat až
na hodnotu danou napájecím napětím a odporem zátěže. Zvýšení součtu (α1Mp + α2Mn ) lze
docílit dvěma způsoby :
a) kladným proudem přivedeným do řídicí elektrody G zvýšíme zesilovací činitel α1 a α2
tranzistorů T1, T2 tak, aby platilo (α1 + α2) → 1
b) zvýšíme blokovací napětí až se začne uplatňovat multiplikační jev tak, aby platilo (α1Mp
+ α2Mn ) → 1
K sepnutí tyristoru dojde jen v tom případě, když anoda bude polarizována kladným napětím
vzhledem ke katodě (na tyristoru je tzv. blokovací napětí).
3.3.3.1. VA charakteristiky tyristoru
Výstupní VA charakteristiku tyristoru tvoří závěrná charakteristika (obr. 3.29.a), blokovací
charakteristika (obr. 3.29.b) a propustná charakteristika (obr. 3.29.c). Nejdůležitějšími
parametry charakterizujícími závěrné vlastnosti tyristoru jsou :
a) opakovatelné špičkové napětí URMM, definované jako nejvyšší přípustná hodnota
periodického napětí, kterým je možno zatížit tyristor v závěrném směru (neopakovatelná
šičková závěrná napětí u tyristorů nejsou uváděna),
b) opakovatelný špičkový závěrný proud IRMM, který je definován jako nejvyšší přípustná
hodnota závěrného proudu (při IG = 0), který může tyristorem protékat, je-li namáhán
v závěrném směru napětím URMM při nejvyšší provozní teplotě.
Průběh blokovací charakteristiky pro nulový řídicí proud IG = 0 je podobný průběhu závěrné
charakteristiky. Po překročení průrazného blokovacího napětí U(B0) však tyristor spíná.
Zvyšuje-li se velikost proudu IG, zvyšuje se velikost anodového proudu a k sepnutí tyristoru
dochází při nižších hodnotách blokovacího napětí. Blokovací schopnosti jsou definovány
obdobně jako v závěrném směru opakovatelným špičkovým blokovacím napětím UDRM a
opakovatelným špičkovým blokovacím proudem IDRM. Propustná charakteristika pak ukazuje
závislost propustného proudu IF na propustném napětí UF měřená na sepnutém tyristoru.
Průběh je téměř shodný s průběhem VA charakteristiky přechodu PN, jen velikosti úbytku
napětí v propustném směru je větší. Bude-li hodnota propustného proudu větší než tzv.
přídržný proud IL, tyristor zůstává v sepnutém stavu. Při poklesu proudu pod hodnotu tzv.
vratného proudu IH tyristor vypíná a pracovní bod se pohybuje po blokovací charakteristice.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
87
UG
UGT
IGT
IG
(PGM)ψ2
(PGM)ψ1
ψ1 < ψ2
IG
t
ψ
IF , ID
IL
IH
IR
UF , UD
UR
U(B0)
UR(BR)
IG = 0
IG2 > IG1
IG = 0
IG1
IG2
IG2
IG1 a
b
c
Obr. 3.29. Výstupní VA charakteristika tyristoru
Propustné vlastnosti tyristoru charakterizují následující parametry :
a) střední propustný proud IT(AV), který je definován jako největší přípustná střední hodnota
propustného proudu tyristoru, přičemž je předpokládán jednocestně usměrněný sinusový
proud, předepsaný kmitočtový rozsah a splnění předepsaných ochlazovacích podmínek
b) neopakovatelný špičkový propustný proud ITSM (t < 10 ms)
c) špičkové propustné napětí UTM, které je definováno jako nejvyšší přípustné propustné
napětí na tyristoru protéká-li jím proud, jehož střední hodnota je IT(AV).
Vstupní VA charakteristika tyristoru vyjadřuje závislost mezi napětím UG a proudem řídicí
elektrody IG. Její typický průběh ukazuje obr. 3.30.
Obr. 3.30. Vstupní charakteristika tyristoru
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
88
Poněvadž rozptyl vstupních charakteristik součástek stejného typu je značný, udávají se vždy
dvě mezní charakteristiky vymezující oblast, ve které se může vstupní charakteristika
uvažovaného tyristoru pohybovat. Vstupní charakteristika je potřebná při návrhu koncového
stupně v řídicím obvodu. Návrh se provádí tak, že zatěžovací přímka koncového stupně
prochází šrafovanou oblastí. Zároveň nesmí být překračovány mezní parametry řídicí
elektrody. V závěrném směru vykazuje řídicí obvod špatné závěrné vlastnosti. Proto se
obvykle zapojuje paralelně nebo sériově k řídicí elektrodě ochranná dioda. Vlastnosti
vstupního řídicího obvodu jsou dále charakterizovány zejména těmito parametry :
a) zapínací napětí UGT je definováno jako nejmenší napětí, při kterém sepne libovolný
tyristor daného typu v celém rozsahu pracovních teplot,
b) zapínací proud IGT, který určuje nejmenší řídicí proud, při kterém sepne libovolný tyristor
daného typu v celém rozsahu pracovních teplot,
c) střední ztrátový výkon PG(AV) představující střední hodnotu ztrátového výkonu, kterým lze
trvale zatěžovat obvod řídicí elektrody,
d) mezní ztrátový výkon PGM, jenž udává hodnotu, která nesmí být ani krátkodobě
překročena.
3.3.3.2. Zapínání tyristoru
Přechod tyristoru z vypnutého stavu do sepnutého stavu je možný několika způsoby :
a) přivedením kladného řídicího proudu do řídicí elektrody
b) překročením průrazného blokovacího napětí
c) překročením strmosti nárůstu blokovacího napětí duD/dt, přičemž hodnota anodového
napětí je kladná (tyristor v blokovacím stavu).
Způsobu ad b) se v praxi nepoužívá, neboť velmi často dochází ke zhoršení blokovacích
vlastností tyristoru, případně i ke zničení (zejména u vysokonapěťových tyristorů). Narůstá-li
blokovací napětí po vypnutí tyristoru s velkou strmostí, může dojít k sepnutí tyristoru bez
řídicího signálu, i když anodové napětí nepřekročilo hodnotu průrazného blokovacího napětí.
Je to způsobeno kapacitou závěrně pólovaného středního přechodu J2 (obr. 3.28.), jehož
náhradní schéma je znázorněno na obr. 3.31.
Celková hodnota proudu tekoucí středním přechodem J2 je dána vztahem :
dt
du
C
R
u
iii
pD
DCDRD +=+= (3.66.)
Složka iDR je určena velikostí blokovacího napětí a její velikost odpovídá blokovací
charakteristice tyristoru. Složka iDC se uplatní při rychlých změnách blokovacího napětí.
Dosáhne-li součet obou složek velikosti zapínacího proudu, tyristor sepne, aniž překročíme
hodnotu blokovacího průrazného napětí.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
89
uD
tD tp
tz
0,1 UD
0,9 UD
t
UD
Obr. 3.31. Náhradní schéma středního přechodu tyristoru
při působení blokovacího napětí
Přípustnou hodnotu (duD/dt)max udává výrobce v katalozích. Hodnotu duD/dt lze zvětšit
zapojením odporu mezi řídicí elektrodu a katodu tyristoru. Dalším možným řešením je
zařazení RC, případně RCD členů paralelně k tyristoru , které snižují rychlost nárůstu napětí
na tyristoru. Oběma uvedeným způsobům zapínání tyristorů se v praxi vyhýbáme. Jediným
prakticky využitelným způsobem je spínání tyristorů řídicím proudem do řídicí elektrody.
Časový průběh anodového napětí tyristoru při zapínání je znázorněn na obr. 3.32.
Obr. 3.32. Časový průběh anodového napětí při zapínání tyristoru
Na časovém průběhu jsou charakteristické následující úseky :
a) doba zpoždění td – časový interval mezi začátkem zapínacího impulsu a okamžikem
poklesu napětí na tyristoru na 90 % původní hodnoty (doba potřebná k vytvoření
proudového kanálu)
b) doba poklesu tp – časový interval, za který poklesne napětí na tyristoru z 90 % na 10 %
původní hodnoty (doba šíření vodivosti v průřezu tyristoru).
iDR iDC
iD
uDR=f(uD) C=f(uD)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
90
Součtem obou časů je definována zapínací doba tz tyristoru, kterou lze ovlivnit především
velikostí proudu řídicí elektrody.
Po přivedení zapínacího impulsu nesepne celá struktura tyristoru současně. Při zapínacím
procesu protéká anodový proud nejdříve pouze úzkým kanálem nacházejícím se v blízkosti
řídicí elektrody. V případě, že by od prvního okamžiku protékal tyristorem konstantní proud,
byl by průřez, kterým tento proud protéká, zpočátku malý a došlo by k místnímu přehřátí PN
přechodu, a tím k poškození tyristoru. Proto se udává dovolená strmost nárůstu propustného
proudu (diD/dt)max , která nesmí být překročena. Do obvodu, ve kterém by mohlo dojít
k překročení tohoto parametru, je nutno do série s tyristorem zařadit cívku, jejíž indukčnost
omezí strmost nárůstu proudu.
3.3.3.3 Vypínání tyristoru
Vypínání tyristoru spočívá v odčerpání volných nosičů náboje z polovodičové struktury
tyristoru. Prakticky se toho dosahuje snížením anodového proudu IH, což je možné těmito
způsoby:
a) přerušením anodového proudu,
b) zkratováním anody a katody tyristoru,
c) závěrnou polarizací tyristoru (komutací anodového napětí).
Vypnutí tyristoru probíhá v první fázi stejně jako u diody (obr. 3.33.). Stejným způsobem jsou
definovány závěrná zotavovací doba trr a komutační náboj Qr (u tyristorů větší jako u diod).
Obr. 3.33. Časové průběhy proudu a napětí při vypínání tyristoru
Po zotavení závěrného odporu přechodů J1 a J3 ještě vypínací proces nekončí. Další doby je
zapotřebí k obnovení blokovací schopnosti (zotavení závěrného odporu J2). V souvislosti
irrM
ir, ur
iT, uT , uD
0,1irrM
iT
uD
tq
trr
ur
t
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
91
s tím je definována tzv. vypínací doba tq , která je dána časovým intervalem od průchodu
propustného proudu nulou do okamžiku, kdy je možno na tyristor přiložit blokovací napětí,
aniž by znovu sepnul bez působení řídicí elektrody. Vypínací doba závisí na vypínacích
podmínkách, a to na teplotě přechodů, vypínaném proudu a na velikosti závěrného napětí. U
běžných tyristorů tq bývá 10 až 700 µs.
3.3.4. Triak
Triak (přesnější název obousměrný triodový tyristor) je pětivrstvá součástka PNPNP, resp.
NPNPN se třemi vývody. Princip činnosti pětivrstvé struktury (obr.3.34.) si lze vysvětlit,
představíme-li si ji jako antiparalelní zapojení dvou čtyřvrstvových struktur (obr 3.35.).
Obr. 3.34. Pětivrstvá struktura Obr. 3.35. Struktura triaku
Při připojení napětí libovolné polarity se struktura rozdělí na dva prvky závěrně pólovanou
diodu a propustně pólovaný diodový tyristor. Vyvedením řídicí elektrody vznikne řiditelný
prvek. VA charakteristika triaku je znázorněna na obr. 3.36.
Přivedením řídicího signálu mezi svorky G a A1 dojde k sepnutí triaku, přičemž řídicí proud
může být jak kladný, tak i záporný, a to při obou polaritách napětí mezi svorkami A1 , A2.
Vzájemná kombinace řídicího a anodového napětí dává čtyři různé možnosti zapínání (viz.
tab. 3.2.).
Možnost zapínání Polarita napětí Polarita napětí
A2 vzhledem k A1 na G vzhledem k A1
A + +
B + C
- +
D - Tab.
3.2.
A2
N1 P1 N0 P2 P2 N2
N1 P1 P1 N0 P2 N2
u < 0
u > 0
A1
A2 A1
A1
A2
G
J1
A1
A2
G
J2
J3
J4JG
N1
P1
N0
P2
NG N2
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
92
Obr. 3.36. VA charakteristika triaku
Vstupní obvod je nejméně citlivý u varianty C. Při této variantě není spínání doporučováno.
Triaky se proti tyristorům poněkud odlišují v dynamických parametrech. Stejně jako u
tyristorů je i u triaků zapínací proces charakterizován zapínací dobou a strmostí nárůstu
propustného proudu. U triaků není udávána vypínací doba jako u tytistorů. Rozdíly vyplývají
z toho, že triakem může procházet proud obou polarit. Při každé polaritě prochází proud jinou
částí pětivrstvé struktury. Při průchodu proudu kterékoliv polarity dochází k tomu, že volné
nosiče z vodivé části pronikají difúzí do oblasti nevodivé. Zde pak po určitou dobu setrvávají
i po tom, kdy propustný proud klesl na minimum. Je-li pokles proudu dostatečně strmý a
přiložíme-li k triaku napětí opačné polarity, jsou tyto nosiče urychleny elektrickým polem a
mohou triak zapnout. Ten pak vede proud v opačném směru a nedojde k vypnutí. O tom, zda
dojde k znovuzapnutí triaku, bude rozhodovat velikost procházejícího proudu bezprostředně
před komutací a strmost nárůstu napětí du/dt. Zvlášť kritické jsou aplikace, ve kterých je
velmi vysoká strmost nárůstu napětí při průchodu proudu nulou. Triaky jsou vhodné zejména
pro řízení a spínání střídavého proudu, a to zejména v aplikacích s činnou zátěží nebo tam,
zátěž nemá velkou induktivní složku.
3.4. Optoelektronické součástky
Postupným rozvojem elektroniky vznikla celá řada odvětví elektroniky, mezi které patří i
optoelektronika. Základem optoelektroniky je vzájemná interakce mezi nabitými částicemi
(elektrony) a nenabitými částicemi (fotony). Zabývá se principy zpracování, přenosu a
záznamu informací, které jsou založeny na změnách parametrů záření (tj. intenzity záření,
vlnové délky, fáze, směru a polarizace). Optoelektronický systém představuje soubor
funkčních bloků, kde v cestě přenosu informace je zařazen optický prvek nebo obvod.
Světelný signál zde pak plní funkci, která je analogická s funkcí běžných elektronických
obvodů s elektrickým signálem. Poněvadž je optický signál zprostředkován pomocí fotonů, je
IT, ID
IL
IH
IHR
ILR
ITR, IDR
UD, UT
UTR, UDR U(B0)R
U(B0)
U(B0)
IG=0
IG>0<
IG>0<
IG=0
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
93
méně ohrozitelný vnějšími rušivými vlivy. Optická soustava je tvořena převodníky elektrické
energie na optickou (zdroje záření) a naopak (detektory záření) a optickými prostředími.
Detektory záření můžeme rozdělit na pasivní (např. fotoodpory), u kterých je ovlivňována
jejich vodivost změnou parametrů záření, a aktivní (např. fotodiody, fototranzistory,
fototyristory), u kterých vzniká fotoelektromotorické napětí.
Zdroje záření rozdělujeme podle monochromatičnosti na monochromatické, (např. LED) a
nemonochromatické, podle koherence na koherentní (např. lasery) a nekoherentní (např.
LED).
Vedle zdrojů a detektorů záření řadíme k optoelektronickým prvkům i speciální struktury,
jako např. displeje, optoelektronické vazební členy.
Charakteristické vlastnosti optoelektronické součástky jsou určeny spektrální
charakteristikou, přechodovou charakteristikou, citlivostí, případně spektrální citlivostí.
Spektrální charakteristika udává závislost citlivosti na vlnové délce, případně se udává
vlnová délka záření, při níž je citlivost maximální. Přechodová charakteristika určuje časovou
odezvu sledované veličiny (fotoproud, fotonapětí). Je definována časovou konstantou, resp.
dobou náběhu a dobou doběhu.
Citlivost vyjadřuje vztah mezi velikostí fotoelektrického proudu IL a osvětlením E:
E
I
S L
= (3.67.)
Případně spektrální citlivost:
λ
λ
E
I
S L
= (3.68.)
Eλ …………. osvětlení zářením o určité vlnové délce λ.
3.4.1. Fotorezistory
Fotorezistor definujeme jako lineární dvojpól, jehož odpor se mění v závislosti na osvětlení.
Dopadá-li polovodič se šířkou pásma ∆Wz záření o vlnové délce λ takové, že je splněna
podmínka
ZW
Ch
∆>
λ
.
(3.69.)
Jsou fotony v polovodiči absorbovány, elektrony přecházejí z valenčního pásma do
vodivostního, přičemž vznikají páry elektron-díra. Světlem vybuzené nosiče náboje jsou však
nerovnovážné. Přestane-li působit záření, dochází k rekombinaci nerovnovážných nosičů a
polovodič se vrací do původního stavu.
VA charakteristiku fotorezistoru ukazuje obr. 3.37. Fotorezistory mají poměrně pomalou
odezvu na změnu osvětlení, která se mění s jeho velikostí. Při silném osvětlení reaguje
rychleji (řádově 10-3
s), při malém osvětlení trvá ustálení odporu až sekundy. Odpor ve tmě je
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
94
U
+ -
I
hγ E4
[mA]
I
E3
E2
E1
U [V]
přibližně 1 MΩ. Pro výrobu fotorezistorů se používá např. InSb, CdS. Příkladem fotorezistorů
jsou např. FW150, MPY7P, G0972 50, K1172 10 a optron s fotorezistorem 3WK 163 40.
Obr. 3.37. VA charakteristika fotorezistoru (E4 > E3 > E2 > E1)
3.4.2. Fotodiody
Fotodiody využívají ke své činnosti generaci párů elektron-díra v blízkosti přechodu PN při
dopadu záření o vlnové délce splňují opět podmínku (3.69.). Bude-li přechod PN
v termodynamické rovnováze a zároveň bude na přechod a jeho okolí dopadat záření, zvýší se
koncentrace minoritních nosičů v blízkosti obou stran depletiční vrstvy (ke generaci
v depletiční vrstvě nedochází-předpoklad)
np gn τ=∆ (3.70.)
pn gp τ=∆ (3.71.)
V tomto případě dojde k difúznímu toku minoritních nosičů náboje do depletiční vrstvy.
Přivedeme-li na přechod vnější napětí a necháme dále působit záření budou mít difúzní toky
minoritních nosičů vyvolané osvětlením opačný smysl než difúzní toky vyvolané vnějším
napětím (obr. 3.38.).
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
95
nn
pn
∆pn
-xn xp x
p, n
∆np
np
pp
IF
[mA]
UR [V] UF [V]
U
PM
RZ
I
IR [mA]
E=0
E1
E2
Obr. 3.38. Rozložení koncentrace nosičů náboje na přechodu PN
v termodynamické rovnováze při osvětlení
VA charakteristika fotodiody se při osvětlení liší od běžné diody tím, že neprochází počátkem
a vykazuje proud v závěrném směru, který je úměrný osvětlení (obr. 3.39.).
Obr. 3.39. VA fotodiody (E2 > E1)
Fotodioda může pracovat v režimech:
a) hradlovém, kdy dodává proud do připojené zátěže (obr. 3.40a.)
b) odporovém, kdy se chová jako spotřebič v obvodu napájeném vnějším zdrojem napětí
(obr. 3.40b.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
96
a) b)
U RZ RZ
IR
UN
I
+
-
UCE
IC IC = f (UCE), E = konst
E4
E3
E2
E1
Obr. 3.40. Pracovní režimy fotodiody
a) hradlový b) odporový
V hradlovém provozu lze nalézt takovou hodnotu RZ, při které je výkon P = U . I na zátěži
největší pro dané osvětlení (viz. šrafovaná oblast obr. 3.39.). V tomto režimu pracují např.
tzv. sluneční baterie, které představují soustavu velkoplošných fotodiod. Účinnost je asi 12%.
Spektrální citlivost fotodiod závisí na druhu materiálu (Ge vrchol cca 1500 nm, Si – 800 ÷
950 nm).
Setrvačnost fotodiod je podstatně menší než u fotorezistorů a prakticky nezávisí na velikosti
osvětlení (bežně 10 µs, speciální technologií kolem 10 ns, ještě kratší doby kolem 1 ns u
fotodiod struktury PIN nebo lavinových fotodiod). Příkladem fotodiody je typ BP104 λ =
950 nm, 100 ns.
3.4.3. Fototranzistory
Fototranzistory využívají opět stejného principu jako fotodiody, jsou však citlivější na
osvětlení , neboť navíc využívají tranzistorový jev pro zesílení proudu vyvolaného osvětlením
přechodu báze – kolektor.
Obr. 3.41. Výstupní charakteristiky tranzistoru
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
97
V případě struktury PNP generuje dopadající záření v oblasti báze dvojice elektron – díra,
přičemž elektrony se vlivem vnitřního elektrického pole pohybují směrem k emitorovému
přechodu a díry ke kolektorovému přechodu. Díry jsou minoritními nosiči pro oblast
kolektorového přechodu, a proto se přidávají k proudu kolektoru (je tvořen minoritními
nosiči). V bázi zůstává objemový náboj majoritních nosičů (elektronů), který způsobuje
pokles potencionální bariery emitorového přechodu a zesiluje tak injekci děr. Obr. .41.
zobrazuje výstupní charakteristiky fototranzistoru.
Doba odezvy fototranzistorů je větší než u fotodiod (řádově desítky µs), vhodnou konstrukcí
lze však tuto dobu zkrátit. Příkladem jsou následující typy fototranzistorů BPV11F, BPW40,
BPY 62 (420 – 1130 nm, 10 µs), SFH 309 (380 – 1180 nm, 5 µs).
3.4.4. Fototyristory
Fototyristor je spínací čtyřvrstvová součástka, u které je sepnutí provedeno pomocí světelného
signálu při ozáření řídicího přechodu. Vypnutí tyristoru se provádí stejným způsobem jako u
normálních tyristorů. V současné době nejsou fototyristory u nás k dispozici (dříve typy KP
500 ÷ 504). Výhoda tyristorů spočívá v tom, že může světelným signálem přímo spínat
spotřebiče o velkém příkonu. Používá se v některých optronech (SCR optocoupler) – např.
H11C3 (200 V, 300 mA).
3.4.5. Elektroluminiscenční diody
Elektroluminiscenční dioda (LED - Light Emitting Diode) je polovodičová součástka
s jedním přechodem PN, u které se využívá zářivé rekombinace při polarizaci v propustném
směru diody.
Při zářivé rekombinaci dochází k zániku nerovnovážných (nadbytečných) nosičů (párů
elektron – díra), přičemž elektron ztrácí svou energii a přechází na nižší energetickou hladinu.
Tuto energii vyzáří jako světelné kvantum. U elektroluminiscenčních diod jsou nerovnovážné
nosiče vstřikovány do prostředí, kde rekombinují, přes přechod PN (probíhá-li např.
rekombinace v polovodiči typu P, rekombinují injektované minoritní nosiče tedy elektrony).
K samotné rekombinaci dochází nedaleko přechodu PN ve vzdálenosti přibližně rovné difúzní
délce. Záření opouští destičku polovodiče ve všech směrech, které jsou pro něj průhledné.
Vlnová délka emitovaného záření (tedy i barva) závisí na materiálu polovodiče a jeho
dotování příměsemi.
Základním materiálem je GaAs. Diody z tohoto materiálu září v infračervené oblasti
s maximem na vlnové délce asi 950 nm, přidáním fosforu se získají diody s červeným
světlem (GaAsP, λ = 640 nm). Diody GaP září červeným světlem o λ = 585 nm). Diody
svíticí na kratších vlnových délkách (modré, fialové) bývají konstruovány na bázi
heteropřechodů, u kterých části P a N přechodu PN jsou z různých materiálů a mají tedy
různé šířky zakázaného pásma.
Největší učinnost mají diody pracující v infračervené oblasti (přemění až 5% příkonu na
výkon záření).
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
98
IR
UR [V]
IF
[mA]
UF [V]
3 2 1
1 2
20
40
60
Obr. 3.42. VA charakteristika elektroluminiscenční diody
Typickou VA charakteristiku diody ukazuje obr. 3.42. Elektroluminiscenční mají řadu výhod,
k nímž patří zejména rychlá odezva na napájecí proud (10-7
až 10-9
s), nízké napájecí napětí,
nízký příkon, velká životnost, malé rozměry, otřesuvzdornost apod. Elektroluminiscenční
diody mají využití např. v signálních obvodech, v displejích, v silnoproudé elektrotechnice
pro ovládání bezkontaktních spínačů, jako součást optronů k izolačnímu oddělení silových a
řídicích obvodů apod. V současné době je na trhu nepřeberné množství LED diod různých
tvarů, velikostí i barev včetně nízkopříkonových LED s proudem IF = 2mA. Vysoce svítivé
LED se prosazují i v osvětlení automobilů – brzdové a směrové svítilny, ale také se již
experimentuje s hlavními reflektory na bázi LED.
3.4.6. Polovodičové lasery
Polovodičové lasery (laserové diody, Light Amplifier by Stimulated of Radiotion) vydávají na
rozdíl od elektroluminiscenčních diod monochromatické časově i prostorově koherentní
záření. Podstatou laserů je stimulovaná emise mezi dvěma hladinami. Podstatný rozdíl proti
elektroluminiscenční diodě, která využívá emisi spontánní, je uplatnění jevu stimulované
emise. Celý problém si lze představit tak, že elektron, který např. ve vodivostním pásmu
nerekombinuje samovolně, ale až po dopadu fotonu, který rekombinaci vyvolá, přičemž tento
foton není pohlcen a navíc se vyzáří další foton následkem rekombinace. Aby se ze zesilovače
záření stal zdroj záření, je nutno zavést kladnou zpětnou vazbu pomocí dvou zrcadel.
Při spontánní emisi dochází k rekombinaci párů elektron-díra v různou dobu a emitovaná
záření jsou navzájem fázově posunuta (nekoherentní). V případě stimulované emise elektrony
rekombinují najednou a fázový posun nenastane (časová soufázovost – koherence).
Konstrukčně je laserová dioda shodná s elektroluminiscenčními diodami. Při průchodu
proudu v propustném směru při nízké proudové hustotě vzniká spontánní emise. Překročí-li
však proudová hustota určitou kritickou mez, vznikne emise stimulovaná, přičemž optický
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
99
signál lze modulovat změnou proudu tekoucího přechodem PN (modulační kmitočty řádově
desítky GHz).
Pro výrobu polovodičových laserů se používají nejčastěji GaAs1-xPx, GaAs, InP, GaxIn1-xP,
AlxGa1-xAs, GaAs1-xSbx aj.
3.4.7. Světlovody
Přenosový systém s opticku vazbou musí obsahovat vedle zdroje a detektoru přenosové
prostředí s parametry málo závislými na vnějších podmínkách. Protože atmosféra se jeví
nespolehlivým přenosovým prostředím, používají se optické světlovody, které můžeme
rozdělit podle provedení na planární dielektrické světlovody (přenos na krátké vzdálenosti) a
vláknové světlovody (přenos na velké vzdálenosti).
Planární světlovody se vyrábějí z dielektrických materiálů (např. sklo, granáty, LiTaO3,
organické látky aj.) a z polovodičových materiálů (např. GaAlP, GaAlAs, GaAsInP, CdS,
CdSe aj.) napařováním, naprašováním, difúzí, epitaxními metodami a iontovou implantací.
Tvoří základ mnoha optoelektronických soustav např. modulátorů, kmitočtových filtrů,
generátorů záření aj.).
Vláknové světlovody se vyrábějí na bázi křemene, speciálních velmi čistých skel, některých
druhů plastů nebo kombinace křemene a plastu. Používají se především ve spojových linkách
optických komunikačních soustav. Perspektivní se jeví jejich použití pro přenos řídicích
signálů ve výkonových polovodičových systémech.
3.4.8. Optoelektronické vazební členy
Základem optoelektronického vazebního členu (optočlenu) je dvojice prvků tvořená
kombinací zdroje záření a detektoru. Podle optické vazby rozlišujeme následující základní
typy optočlenů.
Jako zdroj světla se nejčastěji používá elektroluminiscenční dioda a detektor záření tvoří
fototranzistor, i když mohou být využity i další optoelektronické prvky (fotoodpor, fotodioda,
fototyristor). Výhodou tohoto uspořádání je dokonalé galvanické oddělení vstupu a výstupu,
což se využívá v řadě aplikací.
Mezi charakteristické parametry optočlenu patří:
1) proudový přenos – poměr výstupního proudu ke vstupnímu při zadaném pracovním napětí
detektronu, zátěži a teplotě,
2) spínací doba – doba, určená při odezvě na jednotkový vstupní signal,
3) kapacita optočlenu – kapacita mezi vstupními a výstupními svorkami při zvoleném
pevném kmitočtu,
4) průrazné napětí (izolační pevnost) – napětí, při kterém dochází ke ztrátě izolačních
vlastností.
Příkladem optočlenů jsou např. CNY17 (5 kV, 10µs), 6N136 (2,5 kV, 1 µs), případně
optočleny s lineární charakteristikou pro galvanické oddělení analogového signálu, např.
IL300, CNR200, CNR201.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
100
3.4.9. Zobrazovací jednotky
Zobrazovací jednotky (displeje) jsou součástky, které slouží k optickému znázornění znaků a
poskytují pozorovateli určitou vizuální informaci. Můžeme je rozdělit do dvou skupin:
a) s malou hustotou informace – alfanumerické displeje zobrazující číslice, písmena, znaky,
b) s velkou hustotou informace – televizní, osciloskopické obrazovky, světelné noviny.
Mezi základní kriteria pro určení vhodnosti zobrazovací jednotky pro danou aplikaci patří
zejména:
a) viditelnost, která určuje snadnost čtení informace, je dána jasem, kontrastem, barvou
apod,
b) spotřeba, která má být co nejmenší,
c) rychlost odezvy, která určuje dobu potřebnou k vytvoření resp. zániku symbolu.
Zobrazovací jednotky mohou využívat různé optoelektronické prvky jako např.
elektroluminiscenční diody, kapalné krystaly, digitrony apod.
3.4.9.1. Zobrazovací jednotky s elektroluminiscenčními diodami
Tyto zobrazovací jednotky využívají vlastnosti elektroluminiscenčních diod v propustném
směru, které mohou být uspořádány buď ve formě segmentů (sedmisegmentové jednotky)
nebo do bodové matice (maticové jednotky). Segment tvoří buď jedna dioda, případně může
být složen z více diod. Anody všech diod bývají spojeny, což umožňuje přímé navázání
jednotky na integrovaný dekodér. Výrobcem zobrazovacích jednotek je zejména firma
Agilent Technologies, a to nejen sedmimístných, ale i dalších typů (alfanumerické
zobrazovací jednotky, zobrazovací jednotky se speciálními symboly).
3.4.9.2. Zobrazovací jednotky s plynem plněnými indikátory
Využívají vlastností plynem plněného indikátoru (digitronu), což je v podstatě doutnavka,
jejíž katody jsou zformovány do tvaru číslic nebo jiných znaků a jsou vyvedeny na patici.
Anodu tvoří tenká kovová mřížka s velkou roztečí ok, přes kterou lze pozorovat znaky
vytvořené katodami. Nevýhodou je potřeba poměrně vysokého napájecího napětí a vysoká
spotřeba celého displeje. Dnes se prakticky už nepoužívají.
3.4.9.3. Fluorescenční zobrazovací jednotky
Tyto jednotky jsou v podstatě vakuové elektronky se společnou katodou a řadou vhodně
tvarovaných anod, které jsou opatřeny fosforem a svítí při dopadu elektronů fluorescenčním
světlem (obvykle zelené). Konstruují se převážně jako vícemístné a pro zmenšení počtu
vývodů se využívají v tzv. multiplexním režimu. K tomu pak má každá číslice vyvedenou
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
101
mřížku, pomocí které lze potlačit anodový proud příslušné číslice. Anodové napětí bývá
kolem 20 V, žhavící 1,5 V a řídicí asi 6 V.
3.4.9.4. Zobrazovací jednotky s kapalnými krystaly
Tyto zobrazovací jednotky využívají změny odrazu nebo prostupu světla na nematických
kapalných krystalech. Kapalné krystaly jsou látky, které si v kapalném stavu zachovávají
uspořádání krystalické mřížky. Vlivem elektrického pole mění své optické vlastnosti, a to
průhlednost nebo zabarvení. Obvykle pracují v režimu dynamického rozptylu, tzn. že
přiložením napětí o kmitočtu řádově desítek Hz se rozvíří kapalina indikátoru, čímž se sníží
propustnost světla a zvýší odrazivost. Tento jev vzniká natočením molekul v důsledku
působení vnějšího elektrického pole. Zobrazovací jednotka s kapalnými krystaly má pasivní
vlastnosti (není zdrojem světla), jen pohlcuje nebo odráží světelné paprsky z vnějšího zdroje.
Tento zdroj může být umístěn na straně pozorovatele (prvek s odrazem světla) nebo na straně
opačné (prvek s průchodem světla).
Zobrazovací jednotka je vytvořena ve tvaru dvou rovnoběžných skleněných destiček, jejichž
vzdálenost je asi 20 µm. Mezi destičkami je uzavřen kapalný krystal v nematické fázi. Přední
stěna destičky je opatřena průhlednými segmenty alfanumerické číslicové jednotky
z průhledného vodivého kysličníku kovu. Zadní destička je pokryta neprůhlednou vrstvou
jiného kovu po celé ploše. Bez přiloženého vnějšího napětí vykazuje celá jednotka stejné
optické vlastnosti a je průhledná. Přiložením napětí mezi elektrody (řádově jednotky voltů)
dojde v místech působení elektrického pole k rozvíření kapaliny a ke zvýšení odrazivosti
světla. Symbol nelze sledovat, nedopadá-li na něj světlo. Výhodou je extrémně nízký příkon,
neboť kapalina je prakticky nevodivá (převážně kapacitní proud). Nevýhodou je potřeba
cizího světelného zdroje, malý kontrast zobrazení, velká doba odezvy (desítky ms), potřeba
spínání střídavého napětí pro každý zobrazovací element (použití speciálních ovládacích
CMOS integrovaných obvodů, přepínajících polaritu napětí na segmentu). Nové typy pracují
už v polarizačním režimu (bez dynamického rozptylu), tj. propustnost se mění pouze
natočením molekul v elektrickém poli vyvolaném vnějším napětím.
3.5. Polovodičové součástky bez přechodu PN
Mezi polovodičové součástky bez přechodu PN zahrnujeme prvky, které využívají pro svou
funkci procesy probíhající v objemu polovodiče v důsledku působení vnějších činitelů, např.
teploty, osvětlení, magnetického pole, silného elektrického pole apod.
3.5.1. Varistory
Varistor je nelineární odporový dvojpól, jehož velikost odporu se mění v závislosti na
přiloženém napětí. Teorie vzniku nelinearity varistoru se vysvětluje tak, že spékáním zrn
polovodiče SiC (karbid křemíku) typu N i P vznikají různé orientované přechody PN, čímž
vznikne velmi složitá propojená síť usměrňujících diod.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
102
U
-U U
I
-I
In
Un
A
B
V-A charakteristika varistoru je souměrná podle počátku je ji možno vyjádřit vztahem:
β
CIU = (3.72.)
C …………. konstanta závislá na rozměrech varistoru (102
až 105
)
β …………. činitel nelinearity, závislý na materiálu a technologii (0,15 až 0,50)
Varistor se chová jako nelineární dvojpól při malém napětí v okolí počátku VA
charakteristiky, po překročení určitého napětí dojde ke snížení odporu varistoru a ke zvýšení
proudu tekoucího varistorem (obr. 3.43.).
Obr. 3.43. VA charakteristika varistoru
Pracovní oblast varistoru je omezena bodem A (koleno pracovní charakteristiky) a B
(dovolený ztrátový výkon). Varistory se využivájí k ochraně elektrických zařízení před
přepětím ve výkonových i signálních obvodech.
3.5.2. Termorezistory
Termorezistor je polovodičový nelineární dvojpól, jehož odpor se mění v závislosti na teplotě
prostředí, ve kterém pracuje. Zásadně rozeznáváme dva typy :
a) termistor NTC – termorezistor se záporným teplotním koeficientem,
b) termistor PTC – termorezistor s kladným teplotním koeficientem (pozistor).
U termistoru NTC je změna odporu dosažena termickou generaci nosičů náboje.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
103
a) b)
TU
I RT
-ϑ
Závislost odporu termistoru NTC na teplotě lze vyjádřit vztahem:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−=
0
0
11
exp
TT
BRR TT (3.73.)
T0 ………… vztažná teplota
RT0 ………. odpor při teplotě T0
B ……….... materiálová konstanta daná aktivační energií materiálu, jeho složením
a zpracováním (103
až 105
K)
VA charakteristika termistoru NTC (obr. 3.44a.) je nejprve lineární. Při zvyšování proudu
termistorem se zvyšují Jouleovy ztráty v termistoru, kterými se ohřívá a mění svůj odpor,
přičemž klesá napětí na termistoru (oblast záporného diferenciálního odporu). Termistory
NTC jsou konstruovány na bázi polykristalických kysličníkových polovodičů (kysličníky
niklu, kbaltu, železa, titanu) ve tvaru tyčinek, destiček, perliček apod. Používá se zejména při
měření a řízení teploty.
Obr. 3.44. Základní charakteristiky termistoru NTC
a) VA charakteristika b) Teplotní závislost odporu termistoru
Na rozdíl od termistoru NTC se odpor pozistoru s rostoucí teplotou zvyšuje. Ke změně
odporu zde dochází poklesem pohyblivosti nosičů náboje s teplotou, přičemž koncentrace
nosičů zůstává konstantní. Základním materiálem je buď polovodič nebo feroelektrikum.
Polovodičové (krystalové) pozistory jsou vyráběny z germánia, nebo z křemíku. Jejich
teplotní součinitel není velký. Nevýhodou je malá citlivost, avšak pracují ve značném
pracovním rozsahu podle lineární závislosti. Feroelektrické pozistory se vyrábějí nejčastěji na
bázi BaTiO3. Teplotní součinitel je větší. Základní charakteristiky pozistoru ukazuje obr. 3.45.
Využití pozistorů je obdobně jako u termistorů NTC.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
104
+ϑ
a) b)
I R
U T
Obr. 3.45. Základní charakteristika pozistoru
a) VA charakteristika b) Teplotní závislost odporu pozistoru
3.6. Integrované obvody
Pojem integrovaný obvod vznikl spojením obou pojmů z různých technických oborů – pojmů
“integrace”, tj. spojení několika aktivních a pasivních prvků v jeden celek, a “obvod”, tj.
zapojení sestavené z elektrických součáastek, které vykonává určitou elektrickou funkci.
Podle technologického hlediska můžeme integrované obvody rozdělit následovně:
1) monolitické IO
a) bipolární IO
b) unipolární IO
2) vrstvové IO
a) tenkovrstvé IO
b) hrubovrstvé IO
3) hybridní IO
U monolitických IO jsou jednotlivé součástky vytvořeny zvláštním technologickým postupem
(nejčastěji planární epitaxní technologie), vzájemně propojeny (hlinikovou vrstvou) nebo
odděleny (nejčastěji SiO2) v malé křemíkové destičce.
Tenkovrstvé IO se vyrábějí tak, že na základní destičku (borosilikátové sklo, keramika) se
vhodnou technologií (vakuové napařování, naprašování) nanese několik vrstev (odporová,
izolační, polovodičová a vodivá), ve kterých se pak vytvoří požadovaný obvod
v mikrostruktuře. Hrubovrsvé obvody mají RC prvky a vodivé dráhy vytvořeny pomocí
vhodných past sítotiskem na korundových podložkách.
Hybridní IO jsou vytvářeny sloučením vrstvových a monolitických technologií, kde pasivní
RC obvody a vodivé spoje jsou vytvářeny vrstvovou technologií a do takto vytvořených
obvodů jsou dodatečně usazené monolitické prvky (tranzistory, IO).
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
105
Vytvořené integrované obvody (ad 1 až 3) jsou potom hermeticky uzavřené ochraným
kovovým nebo plastovým pouzdrem, opatřeným kovovými vývody v kruhovém nebo “dual in
line” provedení (dvojřadové, hřebenové).
U integrovaných obvodů rozlišujeme tzv. stupeň integrace, který je měřítkem jejich složitosti.
Podle stupně integrace rozdělujeme IO :
1) IO malého stupně integrace (SSI – Small Scale Integration) – maximálně 100 součástek,
2) IO středního stupně integrace (MSI – Middle Scale Integration) – maximálně 1000
součástek,
3) IO velkého stupně integrace (LSI – Large Scale Integration) – vice jak 1000 součástek,
4) IO velmi velkého stupně integrace (VLSI – Very Large Scale Integration) – desetitisíce
součástek.
Přechod mezi diskrétními prvky a integrovanými obvody tvoří tzv. sdružené prvky (např.
tranzistory ve dvojicích v jednom pouzdře).
Podle druhu zpracovaného elektrického signálu rozdělujeme integrované obvody následovně:
1) analogové (lineární) IO, které zpracovávají elektrický signál, jenž se mění spojitě
v závislosti na čase
2) číslicové (logické) IO, které zpracovávají logické signály.
Hlavní výhody integrovaných obvodů jsou zejména :
1) malý objem,
2) malá hmotnost,
3) malý příkon,
4) větší spolehlivost,
5) větší odolnost proti rušivým vnějším vlivům
Při aplikacích IO je nutné respektovat pokyny výrobce, které jsou shrnuty v katalozích
polovodičových součástek.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
106
Shrnutí pojmů 3.
Klíčová slova:
Polovodičové diody, bipolární tranzistory, unipolární tranzistory, diaky, tyristory,
triaky, opto-elektronické prvky, termistory, varistory, integrované obvody.
Polovodičové součástky pro elektroniku můžeme roztřídit podle několika hledisek. Podle
technologie nebo konstrukčního uspořádání dělíme polovodičové součástky na diskrétní a
integrované. U diskrétní součástky tvoří elektrický funkční prvek současně i samostatnou
jednotku součástky, integrované obsahují v mechanickém celku (např. pouzdru) elektrický
funkční celek (obvod) složený z mnoha aktivních i pasivních prvků.
Polovodičové součástky využívající statické a dynamické vlastnosti jednoho přechodu PN
nazýváme diodami. Při činnosti polovodičových diod se využívá především usměrňující
schopnosti přechodu PN. Speciální diody pak využívají další vlastnosti přechodu PN:
nedestruktivní průraz (např. Zenerova dioda), záporný diferenciální odpor (např. tunelová
dioda), napěťová závislost kapacity přechodu (např. varikap).
Tranzistory jsou součástky, jejichž podstata funkce (z anglických slov TRANSfer resISTOR)
je naznačena v názvu – transformace odporu. Podle toho, které nosiče náboje se zúčastňují
vedení proudu tranzistorem, rozlišujeme tranzistory:
a) bipolární, jejichž podstatou činnosti je řízená injekce minoritních nosičů emitorem do
oblasti báze a následná extrakce těchto nosičů kolektorem, přičemž vedení proudu se
zúčastňují oba nosiče náboje – elektrony a díry
b) unipolární, jejichž princip činnosti je založen na ovlivňování vodivého kanálu mezi
emitorem a kolektorem příčným elektrickým polem (Field Effect Tansistor – FET),
přičemž vedení proudu v kanále je uskutečňováno prostřednictvím jednoho typu
nosiče (kanál N – elektrony, kanál P – díry).
Mezi základní spínací polovodičové součástky patří diaky, tyristory a triaky.
Diak je třívrstvá polovodičová součástka se dvěma přechody, které navzájem oddělují vrstvy
s opačným typem vodivosti. V podstatě pracuje jako symetrický tranzistor v zapojení se
společným emitorem bez přívodu báze. Při své činnosti využívá vlastností nedestruktivního
lavinového průrazu v závěrně polarizovaném přechodu PN.
Tyristor je čtyřvrstvý polovodičový prvek se třemi PN přechody. Základem všech tyristorů je
struktura NPNP nebo PNPN, která je nejvíce rozšířená. Nejčastěji je v aplikacích využíván
triodový tyristor, který je zkráceně označován jen jako tyristor. Podle umístění řídicí
elektrody je možno rozlišit tyristor typu N, nebo P.
Triak (přesnější název obousměrný triodový tyristor) je pětivrstvá součástka PNPNP, resp.
NPNPN se třemi vývody.
Postupným rozvojem elektroniky vznikla celá řada odvětví elektroniky, mezi které patří i
optoelektronika. Základem optoelektroniky je vzájemná interakce mezi nabitými částicemi
(elektrony) a nenabitými částicemi (fotony). Zabývá se principy zpracování, přenosu a
záznamu informací, které jsou založeny na změnách parametrů záření (tj. intenzity záření,
vlnové délky, fáze, směru a polarizace). Optoelektronický systém představuje soubor
funkčních bloků, kde v cestě přenosu informace je zařazen optický prvek nebo obvod.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
107
Světelný signál zde pak plní funkci, která je analogická s funkcí běžných elektronických
obvodů s elektrickým signálem. Poněvadž je optický signál zprostředkován pomocí fotonů, je
méně ohrozitelný vnějšími rušivými vlivy. Optická soustava je tvořena převodníky elektrické
energie na optickou (zdroje záření) a naopak (detektory záření) a optickými prostředími.
Detektory záření můžeme rozdělit na pasivní (např. fotoodpory), u kterých je ovlivňována
jejich vodivost změnou parametrů záření, a aktivní (např. fotodiody, fototranzistory,
fototyristory), u kterých vzniká fotoelektromotorické napětí.
Zdroje záření rozdělujeme podle monochromatičnosti na monochromatické, (např. LED) a
nemonochromatické, podle koherence na koherentní (např. lasery) a nekoherentní (např.
LED).
Vedle zdrojů a detektorů záření řadíme k optoelektronickým prvkům i speciální struktury,
jako např. displeje, optoelektronické vazební členy.
Mezi polovodičové součástky bez přechodu PN zahrnujeme prvky, které využívají pro svou
funkci procesy probíhající v objemu polovodiče v důsledku působení vnějších činitelů, např.
teploty, osvětlení, magnetického pole, silného elektrického pole apod.
Varistor je nelineární odporový dvojpól, jehož velikost odporu se mění v závislosti na
přiloženém napětí. Termorezistor je polovodičový nelineární dvojpól, jehož odpor se mění
v závislosti na teplotě prostředí, ve kterém pracuje.
Pojem integrovaný obvod vznikl spojením obou pojmů z různých technických oborů – pojmů
“integrace”, tj. spojení několika aktivních a pasivních prvků v jeden celek, a “obvod”, tj.
zapojení sestavené z elektrických součáastek, které vykonává určitou elektrickou funkci.
Otázky 3.
1. Nakreslete VA charakteristiku polovodičové diody.
2. Objasněte princip funkce bipolárního tranzistoru.
3. Nakreslete VA charakteristiky bipolárního tranzistoru.
4. Vyjmenujte základní parametry bipolárního tranzistoru.
5. Objasněte princip funkce unipolárního tranzistoru.
6. Nakreslete VA charakteristiky unipolárního tranzistoru.
7. Vyjmenujte základní parametry unipolárního tranzistoru.
8. Objasněte princip funkce tyristoru.
9. Nakreslete VA charakteristiky tyristoru.
10. Vyjmenujte základní parametry tyristoru.
11. Objasněte princip funkce přechodu triaku.
12. Nakreslete VA charakteristiky triaku.
13. Vyjmenujte základní parametry triaku.
14. Vyjmenujte základní aplikace elektronických prvků.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
108
Úlohy k řešení 3.
32) Polovodičová dioda využívá vlastností
a) jednoho PN přechodu
b) dvou PN přechodů
c) tří PN přechodů
d) čtyř PN přechodů
33) Vlivem změny teploty se posouvá VA charakteristika křemíkové diody
přibližně konstantně o
a) 3,7 µV/K
b) 3,7 mV/K
c) 37 mV/K
d) 3,7 V/K
34) Komutace je děj, který popisuje
a) napěťový průraz polovodičového přechodu
b) zapínání diody
c) tepelný průraz polovodičového přechodu
d) vypínání diody
35) Ve výkonové elektronice se provádí linearizace VA charakteristiky diody v přímém
směru podle rovnice
a) UF = UP
b) UF = Rd . IF
c) UF = UP + Rd . IF
d) UF = UT0 + UP + Rd . IF
36) Usměrňovací dioda se používá pro
a) usměrňování proudu průmyslového kmitočtu
b) usměrňování a stabilizaci proudu průmyslového kmitočtu
c) stabilizaci napětí průmyslového kmitočtu
d) se již v současné době do nových zařízení nepoužívá
37) Zenerova dioda je typ diody používaný pro
a) usměrňování proudu vyšších kmitočtů
b) usměrňování proudu průmyslového kmitočtu
c) ladění obvodů ve vf technice
d) referenční zdroje napětí
38) Katalogový údaj IFAV znamená
a) střední hodnotu propustného proudu
b) střední hodnotu závěrného proudu
c) neopakovatelnou maximální hodnotu propustného proudu
d) neopakovatelnou maximální hodnotu závěrného proudu
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
109
39) Katalogový údaj IFSM znamená
a) střední hodnotu propustného proudu
b) střední hodnotu závěrného proudu
c) neopakovatelnou maximální hodnotu propustného proudu
d) neopakovatelnou maximální hodnotu závěrného proudu
40) Katalogový údaj URRM znamená
a) opakovatelné pracovní napětí v závěrném směru
b) opakovatelné pracovní napětí v propustném směru
c) neopakovatelné napětí v závěrném směru
d) závěrné průrazné napětí
41) Katalogový údaj URSM znamená
a) opakovatelné pracovní napětí v závěrném směru
b) opakovatelné pracovní napětí v propustném směru
c) neopakovatelné napětí v závěrném směru
d) závěrné průrazné napětí
42) Napěťový úbytek na křemíkové diodě v přímém směru je přibližně
a) 0,3 V
b) 0,7 – 1V
c) 2 – 3 V
d) 7 V
43) Závěrné napětí miniaturních univerzálních diod bývá přibližně
a) 0,3 – 0,7 V
b) 3 – 5 V
c) desítky voltů
d) stovky voltů
44) Závěrné napětí výkonových diod bývá přibližně
a) jednotky voltů
b) desítky voltů
c) jednotky kV
d) desítky kV
45) Zenerova dioda
a) využívá vlastností PN přechodu v přímém směru
b) využívá vlastností PN přechodu v závěrném směru
c) je symetrická součástka, takže je možné využití v obou směrech
46) Diferenciální odpor Zenerovy diody v pracovní oblasti je přibližně
a) desítky mΩ
b) jednotky Ω
c) desítky až stovky Ω
d) jednotky kΩ
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
110
47) Je-li Zenerovo napětí UZ < 6 V platí
a) převládá Zenerův průraz a teplotní koeficient Zenerova napětí je záporný
b) převládá Zenerův průraz a teplotní koeficient Zenerova napětí je kladný
c) převládá lavinový průraz a teplotní koeficient Zenerova napětí je záporný
d) převládá lavinový průraz a teplotní koeficient Zenerova napětí je kladný
48) Je-li Zenerovo napětí UZ > 6 V platí
a) převládá Zenerův průraz a teplotní koeficient Zenerova napětí je záporný
b) převládá Zenerův průraz a teplotní koeficient Zenerova napětí je kladný
c) převládá lavinový průraz a teplotní koeficient Zenerova napětí je záporný
d) převládá lavinový průraz a teplotní koeficient Zenerova napětí je kladný
49) Teplotní koeficient Zenerova napětí má fyzikální rozměr
a) [V/K]
b) [V.K]
c) [K/V]
d) [K-1
]
50) VA charakteristiku obsahující oblast záporného diferenciálního odporu má
a) lavinová dioda
b) kapacitní dioda
c) tunelová dioda
d) Zenerova dioda
51) Schématická značka znázorňuje symbol pro
a) Zenerovu diodu
b) kapacitní diodu
c) lavinovou diodu
d) rychlou diodu
52) Schématická značka znázorňuje
a) kapacitní diodu
b) Zenerovu diodu
c) tunelovou diodu
d) rychlou diodu
53) Schématická značka znázorňuje
a) kapacitní diodu
b) Zenerovu diodu
c) tunelovou diodu
d) rychlou diodu
54) Kapacita přechodu kapacitní diody
a) roste se zvyšujícím se závěrným napětím
b) roste se zvyšujícím se propustným napětím
c) klesá zvyšujícím se propustným napětím
d) klesá se zvyšujícím se závěrným napětím
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
111
55) Varikap je
a) stabilizační dioda
b) tunelová dioda
c) kapacitní dioda
d) lavinová dioda
56) Zotavovací doba trr udává
a) rychlost obnovení závěrných vlastností diody
b) rychlost sepnutí vf diody
c) rychlost vychladnutí PN přechodu po průchodu neopakovatelného proudu
d) rychlost obnovení propustných vlastností diody
57) Bipolární tranzistor je tvořen
a) jedním PN přechodem
b) dvěma PN přechody
c) třemi PN přechody
d) čtyřmi PN přechody
58) Vedení proudu v bipolárním tranzistoru se účastní
a) pouze záporné elektrony
b) pouze kladné díry
c) oba typy nosičů náboje
d) záleží na typu tranzistoru (PNP, NPN)
59) Bipolární tranzistor má tři elektrody označené jako
a) kolektor, báze a emitor
b) source, drain a gate
c) kolektor, emitor a gate
d) katoda, anoda a gate
60) Jako výkonový zesilovač tranzistor pracuje nejčastěji v zapojení
a) se společnou bází
b) se společným kolektorem
c) se společným emitorem
d) bez společné elektrody
61) Zapojení tranzistoru se společnou bází se používá
a) pro zesílení proudu
b) jako spínač
c) jako měnič impedance
d) pro obrácení fáze napětí
62) Napěťové zesílení zapojení se společným kolektorem je
a) vždy menší než 1
b) 10 – 100
c) 100 – 1000
d) 103 – 104
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
112
63) Proudový zesilovací činitel v zapojení se společnou bází α je
a) vždy menší než 1
b) 1 – 10
c) 100 – 1000
d) 103 – 104
64) Na obrázku je zapojení bipolárního tranzistoru
a) se společnou bází
b) společným kolektorem
c) společným emitorem
65) Na obrázku je zapojení bipolárního tranzistoru
a) se společnou bází
b) společným kolektorem
c) společným emitorem
66) Proudový zesilovací činitel v zapojení se společným
emitorem β je
a) vždy menší než 1
b) vždy menší než –1
c) vždy větší než 1
d) vždy roven 1
67) Zapojení tranzistoru se společným emitorem
a) obrací fázi proudu
b) obrací fázi napětí
c) neobrací ani fázi napětí, ani fázi proudu
d) obrací fázi napětí i proudu
68) Zapojení tranzistoru se společným kolektorem
a) obrací fázi proudu
b) obrací fázi napětí
c) neobrací ani fázi napětí, ani fázi proudu
d) obrací fázi napětí i proudu
69) Zapojení tranzistoru se společným kolektorem
a) má velkou vstupní a malou výstupní impedanci
b) má malou vstupní a velkou výstupní impedanci
c) má vstupní i výstupní impedance malé
d) má vstupní i výstupní impedance velké
70) Zapojení tranzistoru se společným emitorem
a) velkou vstupní a malou výstupní impedanci
b) malou vstupní a velkou výstupní impedanci
c) má vstupní i výstupní impedance malé
d) má vstupní i výstupní impedance velké
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
113
71) Výstupní charakteristiky tranzistoru zachycují závislost mezi
a) kolektorovým proudem IC a bázovým proudem IB pro různá napětí UCE
b) kolektorovým proudem IC a napětím UCE pro různé proudy báze
c) proudem báze IB a napětím UBE pro různé kolektorové proudy IC
d) napětím UBE a napětím UCE pro různé proudy báze IB
72) Hybridní parametr h11 vyjadřuje
a) výstupní admitanci
b) zpětný napěťový činitel
c) proudový zesilovací činitel
d) vstupní impedanci
73) Hybridní parametr h12 vyjadřuje
a) zpětný napěťový činitel
b) proudový zesilovací činitel
c) výstupní admitanci
d) vstupní impedanci
74) Hybridní parametr h21 vyjadřuje
a) zpětný napěťový činitel
b) výstupní admitanci
c) vstupní impedanci
d) proudový zesilovací činitel
75) Hybridní parametr h22 vyjadřuje
a) výstupní admitanci
b) vstupní impedanci
c) proudový zesilovací činitel
d) zpětný napěťový činitel
76) Jednotkový mezní kmitočet bipolárního tranzistoru je definován
a) poklesem parametru h21e0 na hodnotu h21e = 1
b) poklesem parametru h21e0 o 3 dB
c) poklesem parametru h21b0 o 3 dB
d) na nulu
77) Ztrátový výkon tranzistoru je možno vyjádřit vztahem
a) PCmax = ½ . UCE . ICE
b) PCmax = RC . ICE
c) PCmax = UCB . IB
d) PCmax = UCE . IC
78) Maximální dovolená kolektorová ztráta PCmax je dána
a) rozdílem teploty polovodičového přechodu a teploty okolí
b) maximální dovolenou teplotou přechodu a ochlazovacími podmínkami
c) velikostí kolektorového proudu
d) velikostí napětí UCE
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
114
79) Mezní napětí UCE0 se udává pro
a) obvod báze emitor spojený nakrátko
b) rozpojený obvod báze emitor
c) obvod báze emitor spojený rezistorem
d) záporné napětí mezi bází a emitorem
80) Mezní napětí UCER se udává pro
a) rozpojený obvod báze emitor
b) obvod báze emitor spojený nakrátko
c) obvod báze emitor spojený rezistorem
d) záporné napětí mezi bází a emitorem
81) Mezní napětí UCEX se udává pro
a) záporné napětí v obvodu báze emitor
b) obvod báze emitor spojený nakrátko
c) rozpojený obvod báze emitor
d) obvod báze emitor spojený rezistorem
82) Vzájemný vztah mezních napětí UCE je
a) UCER > UCE0 > UCEX
b) UCE0 > UCEX > UCER
c) UCEX > UCER > UCE0
d) UCEX > UCE0 > UCER
83) Pracovní oblast bipolárního tranzistoru je ve výstupních charakteristikách omezena
a) mezním proudem kolektoru, mezním napětím UCE a mezním proudem báze
b) mezním proudem kolektoru, mezním napětím UCE a mezním zesílením h21e
c) mezním proudem kolektoru, mezním napětím UCE a maximální kolektorovou ztrátou
d) mezním proudem kolektoru, mezním proudem báze a maximální kolektorovou ztrátou
84) Unipolární tranzistory s izolovaným hradlem mají označení
a) JFET
b) MESFET
c) IGFET
d) IGBT
85) Unipolární tranzistory s přechodovým hradlem mají označení
a) JFET
b) MISFET
c) MOSFET
d) IGBT
86) Unipolární tranzistor má tři elektrody označené jako
a) kolektor, báze a emitor
b) kolektor, gate a emitor
c) source, drain a gate
d) source, drain a báze
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
115
87) U tranzistorů se strukturou MOSFET je řídicí elektroda od substrátu oddělena
a) závěrně pólovaným PN přechodem
b) tenkou vrstvou oxidu
c) Schottkyho přechodem v závěrném směru
d) vzduchovou mezerou
88) Na obrázku je schématická značka tranzistoru
a) MOSFET s vodivým kanálem N
b) MOSFET s indukovaným kanálem N
c) MOSFET s indukovaným kanálem P
d) JFET s vodivým kanálem P
89) Na obrázku je schématická značka tranzistoru
a) MOSFET s vodivým kanálem N
b) MOSFET s indukovaným kanálem N
c) MOSFET s indukovaným kanálem P
d) JFET s vodivým kanálem N
90) Tranzistorem typu MOSFET s obohacováním kanálu prochází proud
a) i při nulovém napětí na řídicí elektrodě
b) při jakémkoli nenulovém napětí na řídicí elektrodě
c) tehdy, je-li napětí na řídicí elektrodě větší než určitá prahová hodnota UP
d) tehdy, je-li napětí na řídicí elektrodě mezi 0 a UP
91) Tranzistorem typu MOSFET s ochuzováním kanálu prochází proud
a) i při nulovém napětí na řídicí elektrodě
b) při jakémkoli nenulovém napětí na řídicí elektrodě
c) tehdy, je-li napětí na řídicí elektrodě větší než určitá prahová hodnota
d) pouze tehdy, je-li napětí na řídicí elektrodě mezi 0 a UP
92) Tranzistorem typu MOSFET s indukovaným kanálem typu N prochází proud při
a) UDS > 0 a UGS > 0
b) UDS < 0 a UGS > 0
c) UDS > 0 a UGS < 0
d) UDS < 0 a UGS < 0
93) Tranzistorem typu MOSFET s vodivým kanálem typu N prochází proud při
a) UDS > 0 a UGS = 0
b) UDS < 0 a UGS > 0
c) UDS < 0 a UGS < 0
d) UDS < 0 a UGS = 0
94) Vlastnosti unipolárních tranzistorů se obvykle popisují pomocí
a) hybridních parametrů
b) impedančních parametrů
c) admitančních parametrů
d) reluktančních parametrů
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
116
95) Vstupní odpor tranzistorů FET má velikost až
a) 102
Ω
b) 104
Ω
c) 108
Ω
d) 1015
Ω
96) Vlastnosti unipolárního tranzistoru v sepnutém stavu vyjadřuje
a) saturační napětí UDS
b) saturační proud IDS
c) odpor v sepnutém stavu RDSon
d) strmost nakrátko y21
97) Hlavní výhodou unipolárních tranzistorů oproti bipolárním je
a) nižší vstupní kapacita
b) nižší ztrátový výkon
c) nižší řídicí výkon
d) nižší saturační napětí
98) Schématická značka znázorňuje
a) MOSFET s kanálem P
b) MOSFET s kanálem N
c) IGFET s kanálem P
d) dvoubázovou diodu
99) Zkratkou UJT se označuje
a) bipolární tranzistor
b) unipolární tranzistor typu MOSFET
c) unipolární tranzistor typu JFET
d) dvoubázová dioda
100) Schématická značka znázorňuje
a) diak
b) triak
c) tyristor
d) dvoubázovou diodu
101) Schématická značka znázorňuje
a) diak
b) triak
c) tyristor
d) dvoubázovou diodu
102) Schématická značka znázorňuje
a) diak
b) triak
c) tyristor
d) dvoubázovou diodu
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
117
103) Diak je součástka s
a) jedním PNpřechodem
b) dvěma PN přechody
c) třemi PN přechody
d) čtyřmi PN přechody
104) Diak je
a) řiditelný pomocnou bází
b) řiditelný pomocí elektrody gate
c) neřiditelný
d) dvoubázová dioda
105) VA charakteristika diaku
a) je symetrická podle počátku
b) je symetrická podle řídicího napětí
c) je nesymetrická
d) se mění pomocí řídicího napětí
106) Diak se používá pro
a) spínání proudů ve výkonových obvodech
b) spínání tyristorů a triaků
c) spínání výkonových IGBT tranzistorů
d) spínání výkonových MOSFET tranzistorů
107) Tyristor je prvek
a) s jedním PN přechodem
b) se dvěma PN přechody
c) se třemi PN přechody
d) čtyřmi PN přechody
108) Tyristor se používá
a) jako řízený spínač
b) jako neřízený spínač
c) jako zesilovač
d) jako komparátor
109) Strukturu tyristoru je možno principielně nahradit
a) diodou a bipolárním tranzistorem
b) bipolárním a unipolárním tranzistorem
c) dvěma bipolárními tranzistory
d) dvěma unipolárními tranzistory
110) Nejpoužívanější tyristorová struktura je (od anody ke katodě)
a) PNPN
b) NPPN
c) NPNP
d) PNNP
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
118
111) Tyristor má tři elektrody
a) anodu, katodu a bázi
b) anodu, katodu a gate
c) dvě anody a gate
d) source, drain a gate
112) Parametry tyristoru v přímém směru se označují indexem
a) F
b) R
c) D
d) B
113) Parametry tyristoru v závěrném směru se označují indexem
a) F
b) R
c) D
d) B
114) Parametry tyristoru v blokovacím směru se označují indexem
a) F
b) R
c) D
d) B
115) VA charakteristiky tyristoru tvoří větve
a) propustná a závěrná
b) závěrná a blokovací
c) propustná a blokovací
d) propustná, závěrná a blokovací
116) Parametr tyristoru URRM znamená
a) opakovatelné špičkové závěrné napětí
b) neopakovatelné špičkové závěrné napětí
c) průrazné závěrné napětí
d) opakovatelné špičkové blokovací napětí
117) Parametr tyristoru URBR znamená
a) opakovatelné špičkové závěrné napětí
b) průrazné závěrné napětí
c) průrazné blokovací napětí
d) opakovatelné špičkové blokovací napětí
118) Parametr tyristoru UBO znamená
a) průrazné blokovací napětí
b) průrazné závěrné napětí
c) opakovatelné špičkové blokovací napětí
d) opakovatelné špičkové závěrné napětí
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
119
119) Parametr tyristoru UDRM znamená
a) průrazné blokovací napětí
b) opakovatelné špičkové blokovací napětí
c) průrazné závěrné napětí
d) opakovatelné špičkové závěrné napětí
120) Parametr tyristoru ITAV (IFAV) znamená
a) střední hodnotu propustného proudu
b) střední hodnotu řídicího proudu
c) neopakovatelnou hodnotu propustného proudu
d) neopakovatelnou hodnotu blokovacího proudu
121) Parametr tyristoru ITSM znamená
a) střední hodnotu propustného proudu
b) neopakovatelnou hodnotu propustného proudu
c) maximální hodnotu řídicího proudu
d) opakovatelnou hodnotu propustného proudu
122) Parametr tyristoru IGT znamená
a) opakovatelnou hodnotu řídicího proudu
b) neopakovatelnou hodnotu řídicího proudu
c) zapínací proud
d) střední hodnotu řídicího proudu
123) Překročením průrazného blokovacího napětí dojde
a) k sepnutí tyristoru
b) k vypnutí tyristoru
c) ke zničení tyristoru
d) k sepnutí v závěrném směru
124) Příliš velkou strmostí nárůstu blokovacího napětí může dojít
a) ke zničení tyristoru
b) k vypnutí tyristoru
c) k zapnutí tyristoru
d) k zablokování tyristoru
125) Vypnutí tyristoru je možné
a) záporným proudovým impulsem do řídicí elektrody
b) zkratováním řídicí elektrody s katodou
c) zkratováním řídicí elektrody s anodou
d) poklesem anodového proudu pod hodnotu proudu vratného
126) Při dosažení přídržného proudu
a) zůstává tyristor sepnutý i bez přítomnosti řídicího signálu
b) tyristor vypíná
c) zůstává tyristor sepnutý pouze při přítomnosti řídicího signálu
d) tyristor přechází do blokovacího stavu
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
120
127) Parametr tyristoru tq je
a) zapínací doba
b) vypínací doba
c) doba zotavení
d) komutační náboj
128) Na tyristor je možné přivést blokovací napětí
a) po uplynutí doby tq
b) po uplynutí doby trr
c) ihned po zániku anodového proudu
d) po zániku proudu řídicí elektrodou
129) Triak je součástka
a) s jedním
b) se dvěma PN přechody
c) třemi PN přechody
d) čtyřmi PN přechody
130) VA charakteristika triaku je tvořena
a) blokovací a propustnou větví (v obou polaritách)
b) blokovací, závěrnou a propustnou větví
c) propustnou a závěrnou větví
d) závěrnou a blokovací
131) Schématická značka znázorňuje
a) fotoodpor
b) fotodiodu
c) LED diodu
d) optron
132) Schématická značka znázorňuje
a) fotoodpor
b) fotodiodu
c) LED diodu
d) optron
133) Schématická značka znázorňuje
a) fotoodpor
b) fotodiodu
c) LED diodu
d) optron
134) Schématická značka znázorňuje
a) fototyristor
b) fotodiodu
c) fototranzistor
d) optron
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
121
135) VA charakteristika fotodiody
a) se neliší od běžné diody, s osvětlením se pouze mění její strmost
b) úměrně s osvětlením se posunuje směrem k závěrným proudům
c) úměrně s osvětlením se posunuje směrem ke kladným proudům
d) úměrně s osvětlením se posunuje směrem k závěrným napětím
136) Fotodioda v hradlovém režimu
a) dodává proud do připojené zátěže
b) se chová jako spotřebič
c) se chová jako spínač
d) se chová jako proudový zesilovač
137) Fotodioda v odporovém režimu
a) se chová jako spotřebič
b) se chová jako spínač
c) dodává proud do připojené zátěže
d) se chová jako proudový zesilovač
138) Fototranzistory jsou
a) citlivější než fotodiody
b) stejně citlivé, ale rychlejší
c) stejně citlivé a teplotně nezávislé
d) méně citlivé, ale rychlejší
139) Vyšší citlivost fototranzistorů je dána
a) větší plochou polovodiče než u fotodiod
b) tranzistorovým jevem
c) díky použití vysoce dotovaných polovodičů
d) technologií výroby
140) Elektroluminiscenční dioda
a) má jeden PN přechod
b) má dva PN přechody
c) má tři PN přechody
d) nemá PN přechod
141) Základním materiálem pro LED diody je
a) Si
b) Ge
c) GaAs
d) GaSi
142) Co je to optron
a) vžité označení laserové diody
b) vžité označení LED diody
c) světlovod
d) kombinace zdroje světla a světelného detektoru
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
122
143) Varistor je nelineární polovodičový prvek, který
a) nemá PN přechod
b) má jeden PN přechod
c) má dva PN přechody
d) tři PN přechody
144) Varistor se používá
a) pro ladění vf obvodů
b) pro ochranu obvodů před přepětím
c) pro měření teploty
d) pro spínání tyristorů
145) Termistor je polovodičový prvek používaný
a) pro ladění vf obvodů
b) pro ochranu obvodů před přepětím
c) pro měření teploty
d) pro spínání tyristorů
146) Součástka označovaná jako NTC se používá
a) pro měření teploty a má kladný teplotní koeficient
b) pro měření teploty a má záporný teplotní koeficient
c) pro unipolární spínače a má vodivost typu N
d) pro unipolární spínače a má vodivost typu P
147) Součástka označovaná jako PTC se používá
a) pro měření teploty a má kladný teplotní koeficient
b) pro měření teploty a má záporný teplotní koeficient
c) pro unipolární spínače a má vodivost typu N
d) pro unipolární spínače a má vodivost typu P
148) Schématická značka znázorňuje
a) termistor NTC
b) termistor PTC
c) varistor
d) fotoodpor
149) Schématická značka znázorňuje
a) termistor NTC
b) termistor PTC
c) varistor
d) fotoodpor
150) Schématická značka znázorňuje
a) termistor NTC
b) termistor PTC
c) varistor
d) fotoodpor
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
123
231V
50Hz
Tr U F S Uz Rz
4. Základní elektronické obvody
Čas ke studiu: 10 hodin
Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět
• vysvětlit funkci základních elektronických obvodů
• popsat základní části a obvodová řešení síťových napájecích zdrojů
Výklad
4.1. Síťové napájecí zdroje
Pro napájení elektronických zařízení z rozvodné sítě se používají síťové napájecí zdroje, které
slouží k získání stejnosměrných napětí potřebných pro činnost elektronických obvodů, ze
kterých je dané zařízení složeno. Obr.4.1. ukazuje blokové schéma síťového napájecího
zdroje.
Obr. 4.1. Blokové schéma síťového napájecího zdroje
Síťový napájecí zdroj obsahuje tyto základní části: síťový transformátor (Tr), usměrňovač
(U), vyhlazovací filtr (F), stabilizátor napětí (S). Střídavé napětí z rozvodné sítě je pomocí
síťového transformátoru sníženo na napětí vhodné pro získání požadovaného stejnosměrného
napětí. K přeměně střídavého napětí na stejnosměrné napětí slouží usměrňovače. Poněvadž
výstupní napětí usměrňovače obsahuje střídavou složku, která se může částečně přenášet do
užitečného signálu zpracovávaného elektronickými obvody, je k výstupu usměrňovače
připojen vyhlazovací filtr, který zmenšuje zvlnění stejnosměrného napětí. Většina
elektronických zařízení vyžaduje pro svou činnost konstantní stejnosměrné napětí, jehož
hodnota je nezávislá na změnách síťového napětí a změnách zatěžovacího proudu. Proto je za
usměrňovač s filtrem připojen stabilizátor napětí.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
124
4.1.1. Usměrňovače
Usměrňovače jsou zařízení, která slouží k přeměně střídavé elektrické energie na
stejnosměrnou, přičemž základními stavebními prvky, které se při jejich stavbě používají jsou
usměrňovací diody (případně tyristory), přičemž je využita základní vlastnost přechodu P-N –
usměrňující schopnost.
Usměrňovače můžeme rozdělit podle několika hledisek:
a) podle počtu fází
1) jednofázové – slouží především pro napájení menších elektronických zařízení
2) trojfázové – napájecí zdroje výkonových obvodů – měniče, ss motory apod.
3) m-fázové
b) podle způsobu řízení
1) neřízené – usměrňovače s diodami
2) polořízené – usměrňovače s diodami a tyristory
3) řízené – usměrňovače s tyristory
c) podle způsobu zapojení
1) uzlové
2) můstkové
3) jednocestné
d) podle tvaru usměrněného napětí
1) jednopulsní
2) dvojpulsní
3) trojpulsní
4) šestipulsní
5) n-pulsní
Při výpočtech usměrňovacích obvodů jsou provedena určitá zjednodušení: zanedbání
závěrného proudu diody, přechod ze závěrného do propustného směru je pokládán za ideální
(jsou zanedbány komutační vlastnosti prvků, což je možno pro všechny typy součastných
křemíkových diod při usměrňování střídavého napětí průmyslové frekvence). V dalších
kapitolách jsou uvažovány jen jednofázové usměrňovače malého výkonu.
Pro napájení usměrňovačů s malým výstupním napětím je nutná transformace síťového napětí
231V, 50Hz na požadovanou hodnotu napětí pomocí napájecího transformátoru, který
zároveň může sloužit k izolačnímu oddělení elektronického zařízení od napájecí rozvodné
sítě.
Pro výrobu transformátoru se nejčastěji užívají jádra složená z plechu E, I, nebo novější typy
s jádrem C vyrobeného z orientovaného plechu. Vinutí je provedeno z měděných vodičů se
smaltovanou izolací kruhového nebo obdélníkového průřezu. Pro běžnou technickou praxi
vyhovuje přibližný návrh napájecího transformátoru (přesný výpočet lze nalézt v literatuře).
Přenášený výkon z primární na sekundární stranu je možno určit ze vztahu
∑
=
=
n
i
ii IUP
1
1
η
[W, V, A] (4.1.)
η …….… účinnost transformátoru 0,8 - 0,95
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
125
Ui, Ii ……… efektivní hodnoty napětí a proudu sekundárního vinutí transformátoru
Průřez jádra transformátoru určíme ze vztahu:
B
P
S ≅ [cm2
, W, T] (4.2a.)
kde hodnota magnetické indukce B = 0,9 až 1,1 T u EI jádra, 1,5 T u C jádra. Nejčastěji se
volí B = 1 T, pak je průřez jádra transformátoru dán vztahem:
PS ≅ [cm2
, W] (4.2b.)
Rovnice (4.2a,b.) platí pro běžné hodnoty frekvence f = 50 Hz a proudové hustoty Js = 2,5 až
3,5 A/mm2
.
Počet závitů na volt určuje vztah:
fBS
N V
44,4
1
1 = (4.3.)
pro f = 50 Hz
BS
N V
45
1 ≅ [V-1
, T, cm2
] (4.4.)
počet závitů jednotlivých vinutí určíme podle vztahu:
iVui UNkN 1= [V-1
, V] (4.5.)
ku = 0,92 až 0,97 pro primární vinutí
ku = 1,03 až1,05 pro sekundární vinutí
Průměry vodičů vinutí se určí ze znalosti proudu tekoucího vinutím ze vztahu:
S
i
i
J
I
d
785,0
2
= [mm, A, A/mm2
] (4.6.)
kde proudová hustota Js může nabývat hodnot 2,5 A/mm2
(pro vnitřní vinutí) až 4A/ mm2
(pro
vnější vinutí). Po předběžném výpočtu se provede kontrola, zda se vnitřní vinutí vejde do
okna transformátoru s ohledem na proklady vrstev, impregnaci apod. Pro provoz
transformátoru je nutné zajistit jeho dobré chlazení (ochlazovací plocha 2 - 3 cm2
W-1
).
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
126
4.1.1.1. Jednofázový jednocestný jednopulsní usměrňovač
Obr. 4.2. ukazuje základní zapojení jednocestného jednopulsního usměrňovače s odporovou
zátěží.
Obr.4.2. Jednosměrný usměrňovač s odporovou zátěží
Vnitřní odpor usměrňovače je tvořen diferenciálním odporem diody v propustném směru a
vnitřním odporem zdroje napětí
idps RRR += (4.7.)
Pro amplitudu proudu pak platí
zs
m
m
RR
U
I
+
= (4.8.)
Střední hodnota usměrněného proudu je dána vztahem
π
ω
π
ωω
π
π
π
mm
mAV
I
t
I
tdtII =−== ∫ 0
0
)]cos([
2
)()sin(
2
1
(4.9.)
Napětí na zátěži vytvořené proudem IAV
AVs
mmsm
msmAV IR
UIRU
tdtIRtUU −=
−
=−= ∫ ππ
ωωω
π
π
.
)()]sin()sin([
2
1
0
(4.10.)
Při výstupu usměrňovače naprázdno (IAV = 0) je napětí
U
UU
U m
AV 45,0
2
0 ≅==
ππ
(4.11.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
127
Při chodu nakrátko je hodnota usměrňovače (RZ = 0)
s
m
AVk
R
U
I
.π
= (4.12.)
Dioda je namáhána závěrným napětím
mRm UU = (4.13.)
Nevýhodou uvedeného zapojení je velké zvlnění usměrněného napětí, které se zmenšuje
filtrací pomocí filtru, jenž propouští na zátěž jen stejnosměrnou složku a odstraní nežádoucí,
vyšší harmonické. Tento lze realizovat buď pomocí sběrného kondenzátoru (filtr typu
dolnofrekvenční propust), nebo v sérii se zátěží zapojenou nárazovou tlumivkou (filtr typu
hornofrekvenční zádrž). Základní zapojení jednocestného usměrňovače se sběracím
kondenzátorem ukazuje obr. 4.3.
Obr. 4.3. Jednocestný usměrňovač s kapacitním filtrem
a) bez zátěže b) s odporovou zátěží
Činitel zvlnění, který je určen poměrem střídavé a stejnosměrné složky výstupního napětí
usměrňovače, je možno pro toto zapojení vyjádřit vztahem
CU
I
p
z
z
600≅ [%, mA, V, µF] (4.14.)
a platí pro síťový kmitočet f = 50 Hz.
Napěťové namáhání diody
mRm UU 2= (4.15.)
Nabíjecí proces je dán nabíjecí časovou konstantou τN = RS .C a navíc závisí na kmitočtu,
neboť počet aktivních časových úseků závisí na kmitočtu.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
128
Při dimenzování diod vycházíme z následujících vztahů
zFAV II > , mRRM UU 2> ,
s
m
FSM
R
U
I > (4.16.)
Přičemž IFAV je přípustná střední hodnota propustného proudu diody při kapacitní zátěži.
4.1.1.2. Jednofázový dvoucestný dvoupulsní usměrňovač
Menšího zvlnění výstupního usměrněného napětí na výstupu usměrňovače lze dosáhnout tzv.
uzlovým nebo můstkovým zapojením. Obr. 4.4. ukazuje uzlové zapojení jednofázového
usměrňovače s kapacitním filtrem.
Obr. 4.4. Jednofázový dvoucestný dvoupulsní usměrňovač v uzlovém zapojení
a) bez kapacitního filtru b) s kapacitním filtrem
U dvoucestného zapojení bez kapacitního filtru je střední hodnota usměrněného a napětí dána
vztahy
π
ω
π
ωω
π
π
π
mm
mAV
I
t
I
tdtII
2
)]cos([)()sin(
1
0
0
=−== ∫ (4.17.)
AVs
mmsm
msmAV IR
UIRU
tdtIRtUU −=
−
=−= ∫ ππ
ωωω
π
π
22.2
)()]sin()sin([
1
0
(4.18.)
Napětí při chodu naprázdno
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
129
U
UU
U m
AV 9,0
222
0 ≅==
ππ
(4.19.)
Proud při chodu nakrátko
s
m
AVk
R
U
I
π
2
= (4.20.)
Namáhání diod v závěrném směru
mRm UU 2= (4.21.)
Dimenzování diod
2
z
FAV
I
I > , mRRM UU 2> ,
s
m
FSM
R
U
I > (4.22.)
Přičemž IFAV > je přípustná střední hodnota propustného proudu diody při kapacitní zátěži. U
dvoucestného uzlového zapojení s kapacitním filtrem je během každé periody dobíjen
kondenzátor dvakrát. Činitel zvlnění usměrňovače je možno určit ze vztahu
CU
I
p
z
z
300≅ [%, mA, µF] (4.23.)
Obr. 4.5 ukazuje můstkové zapojení dvoupulsního usměrňovače, jehož výhodou je, že
napájecí transformátor je jednodušší (úspora mědi), i když je zapotřebí dvojnásobného počtu
usměrňovacích diod (dvojnásobný úbytek napětí na diodách). Pro hodnoty napětí, proudu a
činitele zvlnění platí stejné vztahy 4.17., 4.18., 4.19., 4.20, 4.23. Napěťové namáhání diod je
poloviční
mRm UU = (4.24.)
Vnitřní odpor usměrňovače je větší, poněvadž jsou v usměrňovací cestě zapojeny dvě diody
v sérii.
idps RRR += 2 (4.25.)
Dimenzování diod
2
z
FAV
I
I > , mRRM UU > ,
s
m
FSM
R
U
I > (4.26.)
Přičemž IFAV je přípustná střední hodnota propustného proudu diody při kapacitní zátěži.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
130
Obr. 4.5. Jednofázový dvoucestný dvoupulsní usměrňovač v můstkovém zapojení
a) s kapacitním filtrem b) bez kapacitního filtru
Výpočet hodnoty filtrační kpacity se provádí často pomocí momogramů, kde jsou vyneseny
pro různé hodnoty součinu f.Rs.C různé závislosti parametrů usměrňovače např. zvlnění na
normovaném zatěžovacím odporu
Při prvním připojení usměrňovače k napájecí síti může dojít ke zničení usměrňovacích diod
nadměrným nabíjecím proudem vyhlazovacího kondenzátoru, který nesmí přesáhnout
hodnotu IFSM diody. Může-li k tomuto jevu dojít, předřazuje se ochranný odpor Romin, který
omezí nabíjecí proud.
Při filtraci napětí o nízkém kmitočtu nebo protéká-li filtrem vysoká hodnota zatěžovacího
proudu, je nutno použít L nebo LC filtr, který vykazuje malý úbytek napětí na indukčnosti a
vysokou filtrační schopnost. Nevýhodou je velká hmotnost (užití prakticky jen u výkonových
usměrňovačů). Minimální indukčnost tlumivky lze přibližně určit z nerovnosti.
f
R
L z
20
min ≥ (4.27.)
Za RZ dosazujeme v případě proměnného odběru největší hodnotu (nejmenší proud).
Obr. 4.6. ukazuje zatěžovací charakteristiky jednotlivých usměrňovačů.
Obr. 4.6. Zatěžovací charakteristiky usměrňovačů
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
131
4.1.2. Filtrace napětí
Pro napájení některých citlivějších obvodů je nutné napájecí napětí dále filtrovat. Informační
přípustné zvlnění pro některé obvody udává následující tabulka :
Typ zařízení p [%]
Mikrofonní předzesilovač 0,001
Nf zesilovač přijímačů 0,05
Koncové zesilovače třídy A 0,5
Stabilizátory 1
Koncové zesilovače třídy B 5
Tabulka 4.1. Přípustná zvlnění napětí
Pro zmenšení zvlnění používame vyhlazovací filtry. V zásadě se používají pasivní filtry:
a) odporové - RC (obr. 4.7a)
b) tlumivkové - LC (obr. 4.7b)
Obr. 4.7. Pasivní filtry
a) RC b) LC
Výhodou odporových filtrů jsou malé rozměry, hmotnost a nízká cena, nevýhodou je úbytek
napětí na odporu, o který se snižuje výsledné napětí zdroje. Účinnost filtru posuzujeme podle
činitele filtrace (vyhlazení), který udává kolikrát zmenšuje filtr amplitudu první harmonické.
2
1
2
1
p
p
U
U
zv
zv
==ϕ (4.28.)
Pro RC filtry lze odvodit vztah pro činitel filtrace ve tvaru
RCmRCm
R
R
z
ωωϕ =++= 22
)()1( pro Rz >> R (4.29.)
Pro RC filtry dosahuje činitel filtrace hodnot 10 ÷ 200.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
132
Označíme-li činitel zvlnění na sběracím kondenzátoru p1, pak činitel zvlnění na výstupu filtru
je dán přibližně vztahy (f = 50 Hz):
RC
p
p 1
2
3200
≅ [%, %, Ω, µF] (4.30.)
pro jednocestné usměrnění
RC
p
p 1
2
1600
≅ [%, %, Ω, µF] (4.31.)
pro dvoucestné usměrnění.
Tlumivkové filtry dosahují poměrně velkého potlačení střídavé složky, bez znatelného úbytku
usměrněného napětí. Jejich nevýhodou jsou větší rozměry, hmotnost a vyšší cena v porovnání
s RC filtry.
Činitel filtrace φ je dán vztahem
LCm
R
Lm
LCm
z
222222
)()1( ω
ω
ωϕ =+−= (4.32.)
2222
)()(
zR
Lm
LCm
ω
ω >>
Činitel filtrace pro LC filtry dosahuje hodnot řádově 102
.
Výsledný činitel zvlnění je určen přibližně vztahy (f = 50 Hz):
LC
p
p 1
2
10
= [%, %, H, µF] (4.33.)
pro jednocestné usměrnění
LC
p
p 1
2
5,2
= [%, %, H, µF] (4.34.)
pro dvoucestné usměrnění.
Ke zmenšení rozměrů a hmotnosti vyhlazovacích filtrů lze s výhodou využít tranzistory (obr.
4.8.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
133
Obr. 4.8. Tranzistorové vyhlazovací filtry
a) RC b) LC
Použitím tranzistorového vyhlazovacího filtru s RC článkem lze dosáhnout stejného činitele
filtrace s kondenzátorem o kapacitě dané vztahem
β
C
C ≅´
2 [µF, µF] (4.35.)
Kromě toho lze v tranzistorovém filtru použít podélného tranzistoru R s mnohem větší
hodnotou odporu než je hodnota R v původním filtru, poněvadž proud procházející
tranzistorem R´
je β - krát menší než proud celého filtru.
Tranzistorový filtr s LC článkem umožní použít pro stejný činitel zvlnění a stejný proud
procházející filtrem stejnou indukčnost, ovšem s větším odporem vinutí R´
, jenž je dán
vztahem
RR β≅´
(4.36.)
kde R je odpor vinutí tlumivky původního filtru a β je proudový zesilovací činitel tranzistoru
v zapojení SE.
Pokud by při požadavku velmi malého zvlnění při nevhodně velkém poměru Rs/ Rz (tj. při
velkém odebírání proudu při malém napětí) vycházel kondenzátor C větší kapacity než 5.103
µF je lépe ve funkci filtru použít elektronický (tranzistorový nebo integrovaný) stabilizátor
napětí.
4.1.3. Zdvojovače a násobiče napětí
Zvýšení napětí beze změny sekundárního napětí napájecího transformátoru je možné např.
Greinacherovým zdvojovačem napětí, zejména v těch případech, kdy nejsou požadavky na
malé zvlnění stejnosměrného napětí (obr. 4.9.).
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
134
Obr. 4.9. Zdvojovač napětí
Hodnota napětí při výstupu naprázdno (RZ → ∞)
UmUZ 2max ≅ (4.37.)
Zvlnění
NZ
Z
CU
I
p
.
1250≅ [%, mA, V, µF] (4.38.)
Mnohonásobné zvýšení usměrněného napětí lze získat Delonovým násobičem napětí (obr.
4.10.). Aplikuje se vždy tehdy, kdy při jiném zvoleném typu usměrňovače by bylo nutné
velké napájecí napětí, a tím by rostly požadavky na izolaci transformátoru.
Maximální hodnota usměrněného napětí pro RZ → ∞ je dána vztahem
mZ UnU ≅max (4.39.)
Namáhání diod v závěrném směru
mRm UU 2= (4.40.)
Obr. 4.10. Delonův násobič napětí
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
135
Při zatížení:
ZiFmZ IRUUnU −−= )( (4.41.)
Z
Z
Z
R
U
I = (4.42.)
Fm
Ziz
UU
IRU
n
−
+
= (4.43.)
pU
I
C
Z
Z
N
.
600≅ [µF, mA, V, %] (4.44.)
4.1.4. Stabilizátory a regulátory stejnosměrného napětí
Většina elektronických obvodů vyžaduje pro zajištění správné funkce napájení ze zdroje
konstantního napětí. Je-li zařízení napájeno ze sítě, je nutné za usměrňovač s filtrem zařadit
vhodný stabilizátor nebo regulátor napětí, protože napětí na výstupu usměrňovače se může
měnit v důsledku kolísání napětí napájecí sítě, případně v důsledku zvýšeného odběru ze
zdroje. U jednotlivých elektronických zařízeních, které nevyžadují velkou přesnost
stabilizace, se často používají tzv. parametrické stabilizátory využívající vlastnosti
nelineárních prvků, zejména Zenerovy diody. Základní zapojení parametrického stabilizátoru
napětí se Zenerovou diodou ukazuje obr. 4.11.
Vlastnosti stabilizátoru jsou charakterizovány činitelem stabilizace S a vnitřním odporem Ri.
Činitel stabilizace je definován vztahem
1
2
2
1
1
2
2
1
U
U
U
U
U
U
dU
dU
S
∆
∆
≅= při Rz = konst. (4.45.)
Vnitřní odpor stabilizátoru je definován vztahem
2
2
2
2
I
U
dI
dU
Ri
∆
∆
≅= při Ui = konst. (4.46.)
Obr. 4.11. Parametrický stabilizátor se Zenerovou diodou
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
136
Pro parametrický stabilizátor se Zenerovou diodou platí (obr. 4.11.) platí
21 III Z += při Ui = konst., RZ = konst. (4.47.)
ZUU =2 (4.48.)
Při proměnném napětí na vstupu stabilizátoru (U1 ≠ konst., RZ = konst.) platí:
ZII ∆∆ =1 (4.49.)
12 IRIRUU dZZdZZ ∆∆∆∆ === (4.50.)
111 )( IRRU dZ ∆∆ += (4.51.)
Činitel stabilizace
1
1 )(
U
U
R
RR
S Z
dZ
dZ+
= (4.52.)
Při proměnném proudovém odběru (U1 = konst., RZ ≠ konst.) platí:
//// 2 ZII ∆∆ = (4.53.)
ZUU ∆∆ =2 (4.54.)
Vnitřní odpor
dZ
Z
Z
i R
I
U
R ==
∆
∆
(4.55.)
Při návrhu stabilizátoru podle obr. 4.11. vycházíme za následujících předpokladů:
Usměrňovač s filtrem představuje zdroj s napětím naprázdno U10 v sérii s vnitřním odporem
Ri, přičemž svorkové napětí U1 se mění v důsledku změn napětí napájecí sítě v rozsahu ±∆U1.
V důsledku těchto změn se mění i proudy tekoucí rezistorem R1 a Zenerovou diodou.
V ustáleném stavu, kdy ∆U1 = 0, platí:
.21 konstIII Z =+= (4.56.)
Proud IZ se mění vlivem kolísání napětí. A změn zátěže v rozsahu:
maxmax2,0 ZZZ III ≤≤ (4.57.)
(Zenerovo napětí je definováno obvykle jako napětí při IZ ≅ 0,2 IZmax, při menších proudech
nemá Zenerova dioda zaručené parametry).
Proud zátěže se mění v rozsahu
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
137
max22min2 III ≤≤ (4.58.)
Při návrhu stabilizátoru vycházíme ze zadaných hodnot napětí U1 ± ∆U1, U2 a z proudového
odběru ze stabilizátoru I2min + I2max, přičemž zvolíme typ Zenerovy diody tak, že UZ = U2. Pro
zajištění správné funkce stabilizátoru je nutné, aby při minimálním napětí na vstupu a
maximálním odběru I2max proud tekoucí Zenerovou diodou nebyl menší než 0,2 IZmax, a
naopak při maximálním napětí na vstupu stabilizátoru a minimaálním odběru I2min, nesmí být
překročen maximální proud Zenerovou diodou IZmax.
Pro hodnotu odporu rezistoru platí R1 platí:
min2max
11
1
max2max
11
2,0 II
UUU
R
II
UUU
Z
Z
Z
Z
+
−∆+
≥≥
+
−∆−
(4.59.)
min11max1 RRR ≥≥ (4.60.)
Zenerova dioda je nejvíce zatěžována v případě minimálního odběru I2min.
Velikost výstupního napětí je také ovlivňována změnnami teploty okolí, přičemž změna je
dána teplotním koeficientem diody. Zenerovy diody s napětím UZ < 6 V mají teplotní
součinitel TKUZ záporný a s UZ > 6 V kladný. Vliv změny teploty lze částečně eliminovat
sériovým spojením běžné diody v propustném směru se Zenerovou diodou. Poněvadž teplotní
koeficient propustného napětí diod je záporný, lze této kompenzace použít jen u Zenerových
diod s kladným teplotním koeficientem TKUZ (obr. 4.12.).
Pro zvýšení činitele stabilizace je možné použít kaskádní zapojení dvou parametrických
stabilizátorů (obr. 4.13.).
Obr. 4.12. Kompenzace teplotního součinitele Obr. 4.13. Kaskádní zapojení
Zenerova napětí parametrických stabilizátorů
Požadujeme-li větší proudový odběr z parametrického stabilizátoru, je výhodné na výstup
stabilizátoru připojit emitorový sledovač s vysokým výkonovým zesílením (obr. 4.14.).
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
138
a) b)
Obr. 4.14. Parametrický stabilizátor s emitorovým sledovačem
Výstupní napětí stabilizátoru podle obr. 4.14a. je dáno vztahem
BEZ UUU −=2 (4.61.)
Výstupní proud určuje vztah (IC≈ IE, IB → 0)
BII β≅2 (4.62.)
Výstupní odpor (vnitřní odpor) stabilizátoru je dán vztahem
C
T
eC
BE
i
T
U
ydI
dU
dI
dU
R ==−≅−=
212
2 1
(4.63.)
Návrh odporu rezistoru R1 a Zenerovy diody je stejný jako v předchozím případě bez
emitorového sledovače. Ještě většího odběru ze stabilizátoru je možné docílit připojením
zesilovače v Darlingtonově zapojení, u kterého lze dosáhnout toho, že parametrický
stabilizátor se Zenerovou diodou nebude takřka zatížen (IB → 0), přičemž výsledné proudové
zesílení je dáno vztahem
21 TT βββ = (4.64.)
Činitel stabilizace dosahuje téměř teoretické hodnoty
dZZ
Z
RI
U
S
.
≅ (4.65.)
Zvýšení filtrace pulsujícího napětí na výstupu diodového usměrňovače, který napájí
parametrický stabilizátor, je možné, zapojíme-li ho podle obr. 4.15.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
139
Obr. 4.15. Zvýšení činitele filtrace
V tomto případě je možné použít kondenzátor s mnohem menší hodnotou kapacity, neboť toto
zapojení kondenzátoru je ekvivalentní připojení kondenzátoru na vstupní napájecí svorky
s kapacitou
12 CC β≅ (4.66.)
Parametrické stabilizátory (bez emitorového sledovače) mají řadu nevýhod, ke kterým patří
zejména:
a) vnitřní odpor stabilizátoru je závislý na typu použité Zenerovy diody a nelze ho účinně
zmenšovat (Ri = Rdz)
b) při proměnném proudovém odběru klesá činitel stabilizace S na velmi nízkou hodnotu
c) výstupní napětí nelze regulovat
d) velikost maximálního výstupního proudu je závislá na maximálním proudu Zenerovy
diody
e) na odporu R1 se ztrácí velký výkon
V náročnějších aplikacích se proto používají elektronické regulátory stejnosměrného napětí,
což jsou v podstatě obvody se zesilovačem a silnou zápornou zpětnou vazbou (tzv.
degenerativní stabilizátor). Vnitřní odpor (výstupní odpor) regulátorů napětí je velmi malý,
proto jsou tato zařízení citlivá na proudové přetížení. Regulátory jsou pak často doplněny
elektronickou proudovou ochranou. Regulátory je možné rozdělit podle provozu na:
a) regulátory se spojitým provozem (proporcionální - obr. 4.19.)
b) regulátory s nespojitým provozem (impulsní - obr. 4.16.)
V případě spojitého regulátoru je výkonový prvek pro ovládání výstupního napětí (nejčastěji
výkonový tranzistor) zapojen jako proměnný odpor, na kterém se ztrácí celý přebytečný
výkon. U impulsního regulátoru pracuje výkonový prvek jako spínač, který periodicky spíná a
vypíná přívod elektrické energie přes filtr do zátěže. Doba sepnutí je pak řízena signálem
z meřícího členu, přičemž se reguluje střední hodnota napětí na záteži na konstantní hodnotu.
Pulsující napětí je pak filtrováno pomocí filtru, přičemž zmenšení rozměrů filtru je možné
v případě, že použijeme dostatečně vysoký kmitočet spínání (řádově jednotky až desítky
kHz). Výhodou je, že ve výkonovém obvodu jsou podstatně nižší výkonové ztráty, které jsou
prakticky dány spínacími ztrátami výkonového prvku, a tedy i účinnost impulsního regulátoru
je mnohem vyšší než účinnost spojitého regulátoru. Nevýhodou je ovšem vyšší cena a
složitost impulsního regulátoru, což vymezuje oblast použití těchto regulátorů v zařízeních
s velkým proudovým odběrem (I > 5 A). Návrh a konstrukce impulsních regulátoru přesahuje
rámec přednášené látky a předpokládá určité znalosti z oblasti spínací techniky, proto se
v dalším budeme zabývat jen spojitými regulátory.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
140
Obr. 4.16. Blokové schéma impulsního regulátoru napětí
Základní princip spojitého regulátoru stejnosměrného napětí spočívá v porovnání velikosti
výstupního napětí a napětím tzv. referenčního zdroje. Vzniklá odchylka se zesiluje a převádí
na akční člen, který řídí velikost napětí tak, aby odchylka žádané hodnoty napětí od skutečné
byla minimální. Akčním členem bývá nejčastěji výkonový bipolární tranzistro, který pracuje
v aktivní oblasti jako proměnný odpor. Výkonový tranzistro je možné zapojit buď paralelně
nebo sériově. Princip paralelního regulátoru ukazuje obr. 4.17.
Tranzistor společně s odporem R tvoří řiditelný dělič napětí. Podle kolísání vstupního napětí
nebo výstupního odběru se řídicím napětím ovládá vodivost tranzistoru tak, aby ∆U2 → 0.
Zapojení má malou účinnost a jeho jedinou podstatnou výhodou je automatické omezování
proudu při zkratu na výstupních svorkách.
Obr. 4.17. Paralelní regulátor Obr. 4.18. Sériový regulátor
Podstatně výhodnější z hlediska účinnosti i regulačních vlastností je zapojení sériového
regulátoru, který se používá mnohem častěji než paralelní regulátor. Jeho nevýhodou je
minimální odolnost vůči zkratu na výstupu. Obr. 4.19 ukazuje blokové schéma sériového
regulátoru.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
141
Obr.4.19. Blokové schéma sériového regulátoru napětí
Výstupní napětí U2 je měřeno měřícím členem MČ, jehož výstup udává poměrnou hodnotu
napětí na výstupu regulátoru. Toto napětí se porovnává s napětím referenčního zdroje RZ
v porovnávacím obvodu PO, vzniklá odchylka se zesílí zesilovačem Z a řídí akční člen AČ.
Základní zapojení sériového regulátoru ukazuje obr. 4.20.
Dělič R3, R4 představuje měřící člen, parametrický stabilizátor R2, ZD tvoří referenční zdroj,
tranzistor T2 představuje porovnávací obvod se zesilovačem odchylky, T1 je akční člen.
Činnost obvodu při poklesu výstupního napětí (např. zvýšením odběru) je následovná.
Poklesem UZ se zmenší i UD, napětí UZ je prakticky konstantní, proto se tranzistor T2 zavírá a
napětí UC2 roste, tím se více otevírá T1 a roste výstupní napětí.
Výstupní napětí U2 určuje vztah:
4
43
22 )(
R
RR
UUU BEZ
+
+= (4.67.)
Výstupní napětí se částečně bude měnit vlivem změny teploty okolí (UZ, UBE2). Vybereme-li
Zenerovou diodu s kladným teplotním součinitelem tak, aby odpovídal zápornému teplotnímu
součiniteli UBE2, bude výstupní napětí teplotně nezávislé. Avšak TKUZ = f(UZ), proto často
při použití této teplotní kompenzace je regulátor překompenzován nebo nedokompenzován.
Výhodnější je proto teplotně závislý měřící obvod (čárkovaně obr. 4.20.). Vzhledem k tomu,
že napětí UZ s teplotou roste a napětí UBE, UF klesá, lze volbou počtu diod a a proudem
měřícího obvodu nastavit kompenzovaný stav. Výstupní napětí U2 je pak určeno vztahem:
FBEZ UnUU
R
RR
U ++
+
= )( 2
4
43
2 (4.68.)
Při zkratu na výstupních svorkách regulátoru je napětí UD = 0, tranzistor T2 se uplně uzavře a
T1 se úplně otevře. Tímto tranzistorem pak protéká zkratový proud, který způsobí zničení
AČ
Z
PO
RZ
MČ
U1 U2
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
142
tranzistoru T1. Regulátor je tedy vhodné doplnit elektronickou pojistkou, která pracuje
většinou jako omezovač výstupního proudu. Jedno z možných řešení ukazuje obr. 4.21.
Snímací odpor RO je volen tak, aby při jmenovitém proudu byl úbytek URo menší než napětí
UBE3 ≈ 0,6 V. Překročením napětí UBE3 tranzistor t3 spíná a zamezuje dalšímu otevření T1.
Nevýhodou této pojistky je, že na výkonovém tranzistoru se ztrácí výkon.
max21IUPZ = (4.69.)
Světelnou indikaci přetížení umožňuje tranzistor T4 s elektroluminiscenční diodou LED (obr.
4.21.). Odpor R5 navrhneme podle velikosti mezního propustného proudu diody LED a
vstupního napětí U1.
Obr. 4.20. Základní zapojení sériového regulátoru
Obr. 4.21 Proudová ochrana sériového regulátoru se signalizací
Příklad návrhu spojitého regulátoru napětí (obr. 4.20.):
Zadáno : U1, ± ∆ U1, U2, I2max, Ri (vnitřní odpor napětí U1)
1) Návrh referenčního zdroje
),,(5,0 2 zzoptdzZ UIRodyZenerovyditypUU ⇒≅ (4.70.)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
143
2) volba IC2
22
2
E
Zopt
C I
I
I ≅≅ (4.71.)
3) volba T2 (např. KC 507) => UCEO, β2 ≈ h21eT2, UEBO, ICmax
4) určíme proud Ip, odpor R2
2EZoptp III −= (4.72.)
p
Z
I
UU
R
−
= 2
2 (4.73.)
5) určíme proud báze T2
221
2
2
eT
C
B
h
I
I ≅ (4.74.)
6) volba proudu děličem R3, R4
210 BD II > (4.75.)
7) určíme napětí děliče
2BEZD UUU += (4.76.)
8) určíme R3, R4
2
2
3
BD
D
II
UU
R
+
−
= ,
D
D
I
U
R =4 (4.77.)
9) volba T1
maxmax221 )( cZ PIUUP <−= (4.78.)
(v případě omezení PZmax = U1 I2max)
T1 => UCEO, β1 ≈ h21eT1, IBmax, ICmax, PCmax,
10) určíme bázový proud IB1
121
max2
1
eT
DP
B
h
III
I
++
= (4.79)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
144
11) určíme proud rezistorem IR
211 CBR III += (4.80)
12) určíme R1
1
2111
1
)(
R
BE
I
UUUU
R
+−∆−
= (4.81)
13) proudové omezení
max2
3
0
I
U
R BE
= (4.82)
14) Volba LED ⇒ IFmax, UF
max
41
min5
F
FBE
I
UUU
R
−−
= (4.83)
T3, T4 libovolné křemíkové tranzistory malého výkonu.
Kromě omezovacích omezovacích pojistek existují i elektronické pojistky klopného typu,
které odstraňují nevýhodu velkého ztrátového výkonu na výkonovém tranzistoru při zkratu
výstupních svorek. Princip pojistky klopného typu spočívá v úplném uzavření akčního
výkonového tranzistoru při překročení mezního výstupního proudu I2max. Obvykle obsahují
vhodný bistabilní prvek (např. tyristor).
Pro posouzení regulačních vlastností sériového regulátoru nahradíme zapojení blokovým
schématem (obr. 4.23). Blok K1 prezentujr zesilovač odchylky, K2 určuje přenos regulačního
tranzistoru T1. Poruchovou veličinou je proud I2 (při rozpojení zpětné vazby bude napětí U2
klesat v důsledku vzrůstu proudu Ri, což je součet vnitřního odporu zdroje U1 a tranzistoru
T1). Napětí na výstupu je dáno:
iUUU −= 112 (4.84)
Výstupní napětí U2 je přivedeno přes dělič s přenosem KD do porovnávacího obvodu, kde se
porovnává s napětím UZ. Přenos děliče je určen vztahem
43
4
RR
R
KD
+
= (4.85)
Celkové zesílení ve smyčce je dáno
21KKKK DC = (4.86)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
145
Výstupní napětí je určeno vztahem
2
´
2222
1
IRI
K
R
IRUKU i
C
i
iC =
−
=−= (4.87)
Zavedením zpětné vazby se původní vnitřní odpor Ri zmenší na ´
iR . Pro 0´
→iR musí zesílení
∞→CK , přičemž zesílení výkonového členu 12 ≅K . Je tedy nutné zajistit dostatečné
zesílení zesilovače odchylky.
Obr. 4.22 Blokové schéma seriového regulátoru
Zesílení však není možné zvyšovat neomezeně, neboť se celý regulační obvod může
rozkmitat (komplexní zátěž, vlastní kapacity zesilovače). Nepříznivě může působit i šum
referenčního zdroje a jiných součástek. V praxi je proto regulátor doplněn kapacitami C1, C2,
pomocí nichž se upraví přenos regulátoru, přičemž C1 upravuje přenos měřicího členu na
přenos PD členu (je-li ve zpětné vazbě PD člen, pak přímá cesta se chová jako PI člen). Tím
se upraví frekvenční charakteristika regulátoru tak, že potlačuje vyšší frekvence.
V případě regulátoru v zapojení podle obr. 4.20. je zesílení KC dáno zesílením zesilovače
odchylky, pro které platí
2
11221 )//(
VST
VSTeT
C
R
RRh
K ≈ (4.88)
dzeTeTVST RhhR 2212112 +≈ (4.89)
zeTeTVST RhhR 1211111 +≈ (4.90)
max2
2
I
U
RZ = (4.91)
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
146
Shrnutí pojmů 4.
Klíčová slova: Síťový napájecí zdroj, síťový transformátor, usměrňovač, vyhlazovací
filtr, stabilizátor napětí, zdvojovač a násobič napětí, parametrický stabilizátor, spojitý
a nespojitý regulátor.
Pro napájení elektronických zařízení z rozvodné sítě se používají síťové napájecí zdroje, které
slouží k získání stejnosměrných napětí potřebných pro činnost elektronických obvodů, ze
kterých je dané zařízení složeno.
Síťový napájecí zdroj obsahuje tyto základní části: síťový transformátor, usměrňovač,
vyhlazovací filtr, stabilizátor napětí.
Střídavé napětí z rozvodné sítě je pomocí síťového transformátoru sníženo na napětí vhodné
pro získání požadovaného stejnosměrného napětí. K přeměně střídavého napětí na
stejnosměrné napětí slouží usměrňovače. Poněvadž výstupní napětí usměrňovače obsahuje
střídavou složku, která se může částečně přenášet do užitečného signálu zpracovávaného
elektronickými obvody, je k výstupu usměrňovače připojen vyhlazovací filtr, který zmenšuje
zvlnění stejnosměrného napětí. Většina elektronických zařízení vyžaduje pro svou činnost
konstantní stejnosměrné napětí, jehož hodnota je nezávislá na změnách síťového napětí a
změnách zatěžovacího proudu. Proto je za usměrňovač s filtrem připojen stabilizátor napětí.
Usměrňovače jsou zařízení, která slouží k přeměně střídavé elektrické energie na
stejnosměrnou, přičemž základními stavebními prvky, které se při jejich stavbě používají jsou
usměrňovací diody (případně tyristory).
Pro napájení usměrňovačů s malým výstupním napětím je nutná transformace síťového napětí na
požadovanou hodnotu napětí pomocí síťového transformátoru, který zároveň může sloužit
k izolačnímu oddělení elektronického zařízení od napájecí rozvodné sítě.
Pro napájení některých citlivějších obvodů je nutné napájecí napětí dále filtrovat. Pro
zmenšení zvlnění používame vyhlazovací filtry. V zásadě se používají pasivní filtry: odporové
(RC filtry) a tlumivkové (LC filtry).
Zvýšení napětí beze změny sekundárního napětí napájecího transformátoru je možné např.
Greinacherovým zdvojovačem napětí, zejména v těch případech, kdy nejsou požadavky na
malé zvlnění stejnosměrného napětí. Mnohonásobné zvýšení usměrněného napětí lze získat
Delonovým násobičem napětí. Aplikuje se vždy tehdy, kdy při jiném zvoleném typu
usměrňovače by bylo nutné velké napájecí napětí, a tím by rostly požadavky na izolaci
transformátoru.
Většina elektronických obvodů vyžaduje pro zajištění správné funkce napájení ze zdroje
konstantního napětí. Je-li zařízení napájeno ze sítě, je nutné za usměrňovač s filtrem zařadit
vhodný stabilizátor nebo regulátor napětí, protože napětí na výstupu usměrňovače se může
měnit v důsledku kolísání napětí napájecí sítě, případně v důsledku zvýšeného odběru ze
zdroje. U jednotlivých elektronických zařízeních, které nevyžadují velkou přesnost
stabilizace, se často používají tzv. parametrické stabilizátory využívající vlastnosti
nelineárních prvků, zejména Zenerovy diody.
V náročnějších aplikacích se používají elektronické regulátory stejnosměrného napětí, což
jsou v podstatě obvody se zesilovačem a silnou zápornou zpětnou vazbou (tzv. degenerativní
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
147
stabilizátor). Regulátory jsou často doplněny elektronickou proudovou ochranou. Regulátory je
možné rozdělit podle provozu na:
c) regulátory se spojitým provozem (spojité regulátory),
d) regulátory s nespojitým provozem (impulsní regulátory).
Otázky 4.
1. Uveďte postup výpočtu při návrhu síťového transformátoru napájecího zdroje.
2. Charakterizujte typy používaných usměrňovačů napětí.
3. Nakreslete základní zapojení jedno a dvoupulzního usměrňovače.
4. Objasněte princip činnosti filtrů výstupního napětí usměrňovače.
5. Uveďte příklady použití zdvojovačů a násobičů napětí.
6. Objasněte princip činnosti parametrického stabilizátoru napětí se Zenerovou diodou.
7. Vysvětlete princip činnosti parametrického stabilizátoru s proudovým zesilovačem.
8. Vysvětlete základní rozdíly mezi paralelním a sériovým regulátorem napětí.
9. Nakreslete zpětnovazební regulátor napětí a vysvětlete jeho činnost.
Úlohy k řešení 4.
151) Pro určení průřezu jádra transformátoru platí přibližný vztah:
a)
B
P
S =
b)
P
B
S =
c) BPS .=
152) Střední hodnota proudu jednopulsního usměrňovače s odporovou zátěží je
přibližně dána vztahem:
a) π.mAV II =
b)
π
m
AV
I
I =
c)
π
m
AV
I
I
2
=
153) Střední hodnota proudu dvoupulsního usměrňovače s odporovou zátěží je
přibližně dána vztahem:
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
148
a) π.mAV II =
b)
π
m
AV
I
I =
c)
π
m
AV
I
I
2
=
154) Pro dimenzování diod u dvoupulsního uzlového usměrňovače platí:
a) mRRM UU 2>
b) mRRM UU >
c) mRRM UU <
155) Maximální teoreticky dosažitelná hodnota výstupního napětí u zdvojovače
napětí je:
a) RMSU2
b) AVU2
c) mU2
156) Vnitřní odpor stabilizátoru je definován vztahem:
a)
2
2
2
2
I
U
dI
dU
Ri
∆
∆
≅=
b)
2
2
I
U
Ri =
c)
2
1
I
U
Ri =
157) Pro zajištění správné funkce stabilizátoru se Zenerovou diodou je nutné, aby
při minimálním napětí na vstupu a maximálním odběru I2max proud tekoucí
Zenerovou diodou nebyl menší než:
a) 0,2 IZmax
b) 0,4 IZmax
c) 0,6 IZmax
158) Zenerovy diody s napětím UZ < 6 V mají teplotní součinitel TKUZ:
a) kladný
b) záporný
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
149
c) nulový
159) Pro zvětšení výstupního proudu paramerického stabilizátoru napětí se
používá:
a) proudový zesilovač
b) paralelní řazení většího počtu zdrojů
c) kaskádní zapojení stabilizátorů
160) Pro zvětšení činitele stabilizace u parametrického stabilizátoru lze použít:
a) proudový zesilovač
b) paralelní řazení většího počtu zdrojů
c) kaskádní zapojení stabilizátorů
161) Pro zvýšení činitele filtrace zejména RC filtrů se používá:
a) proudový zesilovač
b) napěťový zesilovač
c) Delonův násobič
162) U impulsního regulátoru napětí pracuje akční člen:
a) ve spojitém režimu
b) ve spínacím režimu
c) ve spojitém nebo spínacím režimu – záleží to na velikosti odebíraného proudu
163) Při návrhu sériového regulátoru se volí napětí Zenerovy diody, vzhledem
k výstupnímu napětí:
a) 2UUZD =
b) 22UUZD =
c) 25,0 UUZD =
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
150
Klíč k řešení
Odpovědi k testovým otázkám
1) Součástky vyrobené v řadě E6 mají toleranci 20%.
2) Součástky vyrobené s tolerancí 1% jsou vyráběny v řadě E96.
3) Elektrický odpor vodiče se určí (S – průřez, l – délka, ρ – měrný odpor)
S
l
R ρ= .
4) Ztrátový výkon rezistoru se určí 2
RIP = .
5) Který z výrazů pro určení ztrátového výkonu je chybný?
R
I
P R
2
= .
6) Potenciometr slouží jako regulovatelný dělič napětí.
7) Pro napěťový dělič složený z rezistorů R1, R2 napájený napětím U platí:
21
2
2
RR
R
UUR
+
= .
8) Odpor vodiče má teplotní závislost R = R0(1+α.∆t).
9) Převrácená hodnota odporu je vodivost.
10) Reaktance indukčnosti je XL = ωL.
11) Pro výpočet indukovaného elektromotorického napětí platí
dt
di
Lu −= .
12) Statická definice indukčnosti je
I
L
φ
= .
13) Kondenzátor s označením 223 má kapacitu 22 nF (první dvě čísla jsou hodnota a třetí
určuje počet nul, tj, 22 000 pF).
14) Kapacitu deskového kondenzátoru určíme
d
S
C ε= .
15) Jakou hodnotu má tento rezistor? 100 kΩ, 20% (hnědá 1, černá 0, žlutá 4, tj. 10 0000 Ω).
16) Jakou hodnotu má tento rezistor? 3,3 kΩ, 10% (oranžová 3, červená 2, tj. 33 00 Ω).
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
151
17) Jakou hodnotu má tento rezistor? 68 kΩ, 5% (modrá 6, šedá 8, oranžová 3, tj. 68 000 Ω).
18) Energii magnetického pole indukčnosti můžeme určit ze vztahu 2
2
1
LIW = .
19) Energii elektrického pole kondenzátoru můžeme určit ze vztahu 2
2
1
CUW = .
20) Vztah mezi napětím a proudem kondenzátoru je dán vztahem
dt
du
Ci = .
21) Za statickou definici kapacity považujeme vztah
U
Q
C = .
22) Kapacitní reaktance kondenzátoru je
fC
XC
π2
1
= .
23) Kondenzátory s nejvyššími kapacitami jsou elektrolytické.
24) Ztrátový úhel kondenzátoru δ doplňuje fázový úhel do teoretické hodnoty 90° .
25) Nejmenší ztrátový úhel mají kondenzátory vzduchové.
26) Převrácená hodnota ztrátového činitele tgδ je činitel jakosti Q .
27) Vzájemnou indukčnost dvou cívek určíme 21 LLkM ⋅= .
28) Typické pracovní napětí superkondenzátorů je 2 – 3 V.
29) Superkondenzátory jsou schopny rychlého nabití a vybití vysokými proudy.
30) Vysoké kapacity superkondenzátorů se dosahuje použitím uhlíkových elektrod s velkou
plochou.
31) Kapacita vyráběných superkondenzátorů bývá přibližně 100 – 1000 F.
32) Polovodičová dioda využívá vlastností jednoho PN přechodu.
33) Vlivem změny teploty se posouvá VA charakteristika křemíkové diody
přibližně konstantně o 3,7 mV/K.
34) Komutace je děj, který popisuje vypínání diody.
35) Ve výkonové elektronice se provádí linearizace VA charakteristiky diody v přímém
směru podle rovnice UF = UP + Rd IF .
36) Usměrňovací dioda se používá pro usměrňování proudu průmyslového kmitočtu.
37) Zenerova dioda je typ diody používaný pro referenční zdroje napětí.
38) Katalogový údaj IFAV znamená střední hodnotu propustného proudu.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
152
39) Katalogový údaj IFSM znamená neopakovatelnou maximální hodnotu propustného proudu.
40) Katalogový údaj URRM znamená opakovatelné pracovní napětí v závěrném směru.
41) Katalogový údaj URSM znamená neopakovatelné napětí v závěrném směru.
42) Napěťový úbytek na křemíkové diodě v přímém směru je přibližně 0,7 – 1V.
43) Závěrné napětí miniaturních univerzálních diod bývá přibližně desítky voltů.
44) Závěrné napětí výkonových diod bývá přibližně jednotky kV.
45) Zenerova dioda využívá vlastností PN přechodu v závěrném směru.
46) Diferenciální odpor Zenerovy diody v pracovní oblasti je přibližně jednotky Ω.
47) Je-li Zenerovo napětí UZ < 6 V platí: převládá Zenerův průraz a teplotní koeficient
Zenerova napětí je záporný.
48) Je-li Zenerovo napětí UZ > 6 V platí: převládá lavinový průraz a teplotní koeficient
Zenerova napětí je kladný.
49) Teplotní koeficient Zenerova napětí má fyzikální rozměr [V/K].
50) VA charakteristiku obsahující oblast záporného diferenciálního odporu má tunelová
dioda.
51) Schématická značka znázorňuje symbol pro Zenerovu diodu.
52) Schématická značka znázorňuje tunelovou diodu.
53) Schématická značka znázorňuje kapacitní diodu.
54) Kapacita přechodu kapacitní diody klesá se zvyšujícím se závěrným napětím.
55) Varikap je kapacitní dioda.
56) Zotavovací doba trr udává rychlost obnovení závěrných vlastností diody.
57) Bipolární tranzistor je tvořen dvěma PN přechody.
58) Vedení proudu v bipolárním tranzistoru se účastní oba typy nosičů náboje.
59) Bipolární tranzistor má tři elektrody označené jako kolektor, báze a editor.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
153
60) Jako výkonový zesilovač tranzistor pracuje nejčastěji v zapojení se společným emitorem.
61) Zapojení tranzistoru se společnou bází se používá jako měnič impedance.
62) Napěťové zesílení zapojení se společným kolektorem je vždy menší než 1.
63) Proudový zesilovací činitel v zapojení se společnou bází α je vždy menší než 1.
64) Na obrázku je zapojení bipolárního tranzistoru se společnou bází.
65) Na obrázku je zapojení bipolárního tranzistoru společným emitorem.
66) Proudový zesilovací činitel v zapojení se společným emitorem β je vždy větší než 1.
67) Zapojení tranzistoru se společným emitorem obrací fázi napětí.
68) Zapojení tranzistoru se společným kolektorem obrací fázi proudu.
69) Zapojení tranzistoru se společným kolektorem má velkou vstupní a malou výstupní
impedanci.
70) Zapojení tranzistoru se společným emitorem má malou vstupní a velkou výstupní
impedanci.
71) Výstupní charakteristiky tranzistoru zachycují závislost mezi kolektorovým proudem IC a
napětím UCE pro různé proudy báze.
72) Hybridní parametr h11 vyjadřuje vstupní impedanci.
73) Hybridní parametr h12 vyjadřuje zpětný napěťový činitel.
74) Hybridní parametr h21 vyjadřuje proudový zesilovací činitel.
75) Hybridní parametr h22 vyjadřuje výstupní admitance.
76) Jednotkový mezní kmitočet bipolárního tranzistoru je definován poklesem parametru
h21e0 na hodnotu h21e = 1.
77) Ztrátový výkon tranzistoru je možno vyjádřit vztahem PCmax = UCE . IC.
78) Maximální dovolená kolektorová ztráta PCmax je dána maximální dovolenou teplotou
přechodu a ochlazovacími podmínkami.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
154
79) Mezní napětí UCE0 se udává pro rozpojený obvod báze editor.
80) Mezní napětí UCER se udává pro obvod báze emitor spojený rezistorem.
81) Mezní napětí UCEX se udává pro záporné napětí v obvodu báze editor.
82) Vzájemný vztah mezních napětí UCE je: UCEX > UCER > UCE0.
83) Pracovní oblast bipolárního tranzistoru je ve výstupních charakteristikách omezena
mezním proudem kolektoru, mezním napětím UCE a maximální kolektorovou ztrátou.
84) Unipolární tranzistory s izolovaným hradlem mají označení IGFET.
85) Unipolární tranzistory s přechodovým hradlem mají označení JFET.
86) Unipolární tranzistor má tři elektrody označené jako source, drain a gate.
87) U tranzistorů se strukturou MOSFET je řídicí elektroda od substrátu oddělena tenkou
vrstvou oxidu.
88) Na obrázku je schématická značka tranzistoru MOSFET s vodivým kanálem N.
89) Na obrázku je schématická značka tranzistoru MOSFET s indukovaným kanálem P.
90) Tranzistorem typu MOSFET s obohacováním kanálu prochází proud tehdy, je-li napětí na
řídicí elektrodě větší než určitá prahová hodnota UP.
91) Tranzistorem typu MOSFET s ochuzováním kanálu prochází proud i při nulovém napětí
na řídicí elektrodě.
92) Tranzistorem typu MOSFET s indukovaným kanálem typu N prochází proud při UDS > 0
a UGS > 0.
93) Tranzistorem typu MOSFET s vodivým kanálem typu N prochází proud při UDS > 0
a UGS = 0.
94) Vlastnosti unipolárních tranzistorů se obvykle popisují pomocí admitančních parametrů.
95) Vstupní odpor tranzistorů FET má velikost až 1015
Ω.
96) Vlastnosti unipolárního tranzistoru v sepnutém stavu vyjadřuje odpor v sepnutém stavu
RDSon .
97) Hlavní výhodou unipolárních tranzistorů oproti bipolárním je nižší řídicí výkon.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
155
98) Schématická značka znázorňuje dvoubázovou diodu.
99) Zkratkou UJT se označuje dvoubázová dioda.
100) Schématická značka znázorňuje diak.
101) Schématická značka znázorňuje triak.
102) Schématická značka znázorňuje tyristor.
103) Diak je součástka s dvěma PN přechody.
104) Diak je neřiditelný.
105) VA charakteristika diaku je symetrická podle počátku.
106) Diak se používá pro spínání tyristorů a triaků.
107) Tyristor je prvek se třemi PN přechody.
108) Tyristor se používá jako řízený spínač.
109) Strukturu tyristoru je možno principielně nahradit dvěma bipolárními tranzistory.
110) Nejpoužívanější tyristorová struktura je (od anody ke katodě) PNPN.
111) Tyristor má tři elektrody anodu, katodu a gate.
112) Parametry tyristoru v přímém směru se označují indexem F.
113) Parametry tyristoru v závěrném směru se označují indexem R.
114) Parametry tyristoru v blokovacím směru se označují indexem D.
115) VA charakteristiky tyristoru tvoří větve propustná, závěrná a blokovací.
116) Parametr tyristoru URRM znamená opakovatelné špičkové závěrné napětí.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
156
117) Parametr tyristoru URBR znamená průrazné závěrné napětí.
118) Parametr tyristoru UBO znamená průrazné blokovací napětí.
119) Parametr tyristoru UDRM znamená opakovatelné špičkové blokovací napětí.
120) Parametr tyristoru ITAV (IFAV) znamená střední hodnotu propustného proudu.
121) Parametr tyristoru ITSM znamená neopakovatelnou hodnotu propustného proudu.
122) Parametr tyristoru IGT znamená zapínací proud.
123) Překročením průrazného blokovacího napětí dojde k sepnutí tyristoru.
124) Příliš velkou strmostí nárůstu blokovacího napětí může dojít k zapnutí tyristoru.
125) Vypnutí tyristoru je možné poklesem anodového proudu pod hodnotu proudu vratného.
126) Při dosažení přídržného proudu zůstává tyristor sepnutý i bez přítomnosti řídicího
signálu.
127) Parametr tyristoru tq je vypínací doba.
128) Na tyristor je možné přivést blokovací napětí po uplynutí doby tq.
129) Triak je součástka čtyřmi PN přechody.
130) VA charakteristika triaku je tvořena blokovací a propustnou větví (v obou polaritách).
131) Schématická značka znázorňuje LED diodu.
132) Schématická značka znázorňuje fotodiodu.
133) Schématická značka znázorňuje optron .
134) Schématická značka znázorňuje fototranzistor.
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
157
135) VA charakteristika fotodiody se úměrně s osvětlením posunuje směrem k závěrným
proudům.
136) Fotodioda v hradlovém režimu dodává proud do připojené zátěže.
137) Fotodioda v odporovém režimu se chová jako spotřebič.
138) Fototranzistory jsou citlivější než fotodiody.
139) Vyšší citlivost fototranzistorů je dána tranzistorovým jevem.
140) Elektroluminiscenční dioda má jeden PN přechod.
141) Základním materiálem pro LED diody je GaAs.
142) Co je to optron: kombinace zdroje světla a světelného detektoru.
143) Varistor je nelineární polovodičový prvek, který nemá PN přechod.
144) Varistor se používá pro ochranu obvodů před přepětím.
145) Termistor je polovodičový prvek používaný pro měření teploty.
146) Součástka označovaná jako NTC se používá pro měření teploty a má záporný teplotní
koeficient.
147) Součástka označovaná jako PTC se používá pro měření teploty a má kladný teplotní
koeficient.
148) Schématická značka znázorňuje varistor.
149) Schématická značka znázorňuje termistor NTC.
150) Schématická značka znázorňuje termistor PTC.
151) Pro určení průřezu jádra transformátoru platí přibližný vztah:
B
P
S = .
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
158
152) Střední hodnota proudu jednopulsního usměrňovače s odporovou zátěží je přibližně
dána vztahem:
π
m
AV
I
I = .
153) Střední hodnota proudu dvoupulsního usměrňovače s odporovou zátěží je přibližně dána
vztahem:
π
m
AV
I
I
2
= .
154) Pro dimenzování diod u dvoupulsního uzlového usměrňovače platí: mRRM UU 2> .
155) Maximální teoreticky dosažitelná hodnota výstupního napětí u zdvojovače napětí je:
mU2 .
156) Vnitřní odpor stabilizátoru je definován vztahem:
2
2
2
2
I
U
dI
dU
Ri
∆
∆
≅= .
157) Pro zajištění správné funkce stabilizátoru se Zenerovou diodou je nutné, aby při
minimálním napětí na vstupu a maximálním odběru I2max proud tekoucí Zenerovou
diodou nebyl menší než: 0,2 IZmax.
158) Zenerovy diody s napětím UZ < 6 V mají teplotní součinitel TKUZ: záporný.
159) Pro zvětšení výstupního proudu paramerického stabilizátoru napětí se používá: proudový
zesilovač.
160) Pro zvětšení činitele stabilizace u parametrického stabilizátoru lze použít: kaskádní
zapojení stabilizátorů.
161) Pro zvýšení činitele filtrace zejména RC filtrů se používá: proudový zesilovač.
162) U impulsního regulátoru napětí pracuje akční člen: ve spínacím režimu.
163) Při návrhu sériového regulátoru se volí napětí Zenerovy diody, vzhledem k výstupnímu
napětí: 25,0 UUZD = .
Elektronika - Prvky elektronických obvodů
159
Seznam použité literatury
[1] Bernard, J. M., Hugon, J., Le Corvec, R. Od logických obvodů k mikroprocesorům I-IV.
1. vydání, Praha, SNTL 1984.
[2] Brandštetter, P.: Elektronika. 2.vydání, skriptum VŠB-TU Ostrava, 1997, ISBN 80-
7078-124-6.
[3] Brandštetter, P. Analogové elektronické obvody. Učební texty pro kombinované a
distanční studium. VŠB-TU Ostrava, 2005.
[4] Brandštetter, P. Technické prostředky pro řízení elektrických pohonů. Učební texty pro
kombinované a distanční studium. VŠB-TU Ostrava, 2005.
[5] Burger, I., Hudec, L. Elektronické prvky. 1.vydání. Bratislava, ALFA1980.
[6] Čermák, T. Kurs polovodičové techniky. 1. vydání. Praha, SNTL 1976.
[7] Dostál, J. Operační zesilovače. 1. vydání, Praha, SNTL 1981.
[8] Dostál, T., Pospíšil, J., Šebesta, V. Elektronika. 1. vydání, Praha, SNTL 1986.
[9] Foit, J. Mikroelektronika. 4. vydání, Praha, ČVUT 1982.
[10] Ghausi, M. S. Electronics Device and Circuits. New York, Mc Graw-Hill, 1985.
[11] Graeme, J. D., Gene, E. T., Huelsman, L. P. Operational Amplifiers. New York, Mc
Graw-Hill 1971.
[12] Gray, P. R. Microelectronics. 1. vydání, New York, Mc Graw-Hill 1988.
[13] Heumann, K. Basic Principles of Power Electronics. 1. vydání, Berlin, Springer-Verlag
1986.
[14] Horowitz, P., Hill, W. The Art of Electronics. Cambridge University Press, ISBN 0-521-
37095-7, 1989.
[15] Kale, C.O. Introduction to passive, linear, and digital electronics. Reston Publishing
Company, ISBN 0-8359-3263-X, 1985.
[16] Křišťan, L., Vachala, V. Příručka pro navrhování elektronických obvodů. 1. vydání,
Praha, SNTL 1982.
[17] Michálek, V., Novotný, V., Vrba, K. Užitá elektronika. 2. vydání, Praha, SNTL 1984.
[18] Pinker, J. Číslicová elektronika. 2. vydání, Plzeň, VŠSE 1982.
[19] Piňos, Z. Elektronické a mikroelektronické prvky. 1. vydání, Praha, SNTL 1984.
[20] Pospíšil, J. Základy obvodové techniky II. 3. vydání Brno, VUT 1985.
[21] Stránský, J. a kol. Polovodičová technika I. 4. vydání, Praha, SNTL 1982.
[22] Tietze, U., Schenk, Ch. Halbleiter Schaltungstechnik. Berlin, Spinger-Verlag 1980.
[23] Vrba, K. ml. Technika analogových obvodů. Učební texty PGS, Ostrava 1987.
[24] Vrba, R. Technika číslicových obvod - CMOS řada 4000/4500. 1. vydání, Brno, VUT
1987.
[25] Vrba, K., Lattenberg, I., Matějíček, L. Analogová technika. Učební texty, FEKT VUT
Brno, 2005.