1. Vlastní a nevlastní vodivost vlastní vodivost - vzniká fononovou generací (pár elektron - díra) nevlastní vodivost - způsobená atomovými poruchami krystalové mříže, zejména substitučními poruchami nevlastní nedegenerovaný polovodič - kladný teplotní součinitel, tedy vodivost klesá, což je způsobeno větším kmitáním atomů kolem rovnovážné polohy,které snižuje pohyblivost nosičů náboje vlastní polovodič - záporný teplotní součinitel, tedy vodivost roste, což je způsobeno tím, že při větší teplotě je větší pravděpodobnost vzniku fononu. 2. Pohyblivost volných nábojů Vedení proudu v polovodičích se zakládá na dvou příčinách: - elektrické pole způsobuje driftový proud - spád (gradient) koncentrace nosičů dává vznik difúznímu proudu Driftová vodivost závisí na druhu nosičů - pohyblivost děr je v důsledku „sdílného“ pohybu asi o řád nižší než elektronů, na pravidelnosti krystalové struktury, koncentraci nosičů, intenzitě elektrického pole a teplotě. dn dp ⎞ ⎛ Difúzní složka proudu je úměrná gradientu nosičů, takže J D = q⎜ Dn − D p ⎟ , kde Dn je ⎝ dx dx ⎠ difúzní konstanta elektronů a Dp děr. Střední difúzní délka, je 50% délky jakou prodifundují elektrony nebo díry. Střední volná dráha, je dráha mezi jednotlivými srážkami mezi pohyblivou částicí a krystalovou mřížkou. 3.Přechod PN v monokrystalickém polovodiči Rozhraní mezi dvěma polovodiči různého typu vodivosti nazýváme přechod PN. Vytváří se technologickými postupy v jednom krystalu polovodiče. Dále se uvažuje jen strmý přechod PN(obr 1), kde se typ polovodiče na styčné ploše mění nespojitě. V důsledku gradientu koncentrace pohyblivých nosičů náboje dochází k difúzním tokům elektronů z části N do P a děr z polovodiče typu P do N. Koncentrace nosičů se však nemůže měnit náhle, jako u nepohyblivých příměsových atomů, ale mění se spojitě. V polovodiči N se vytvoří oblast s menší koncentrací elektronů, takže převládá kladný náboj ionizovaných donorů. V části P se vytvoří oblast s menší koncentrací děr, převládá tam náboj ionizovaných akceptorů.(obr 2). Vzniká elektrická dvojvrstva prostorového náboje, která je doprovázena vnitřním elektrickým polom intenzity E. Vnitřní el. pole brání dalšímu difúznímu přechodu elektronù a dìr, tak e dojde k dynamické rovnováze. Oblast prostorového náboje se nazývá ochuzená vrstva přechodu PN.
5. Vyložte možné mechanismy průrazu přechodu PN v závěrném směru - k elektrickému průrazu PN přechodu může dojít dvěma mechanismy a) Zenerův jev - vnitřní emise náboje vyvolaná elektrickým polem - intenzita pole v PN přechodu vzrůstá s rostoucím závěrným napětím (v rozmezí do 6V) - pro tenký přechod může intenzita pole dosáhnout kritické hodnoty 107 V/m - po překročení kritické intenzity dojde k vytrhávání elektronů z valenčního pásu a dále tunelovým jevem dojde k přechodu do pásu vodivostního - zvýšení počtu nositelů nábojů, snížení odporu přechodu - charakteristický je záporný teplotní koeficient b) lavinový jev - pohybující se elektrony mají velkou kinetickou energii (větší než šířka zakáz. pásu) , že jsou schopny ionizovat atom - počet uvolněných elektronů roste geometrickou řadou (v rozmezí od 50 V) - dochází k němu na širokých přechodech, kde je velká pravděpodobnost srážky elektronu s atomem - charakteristický je kladný teplotní součinitel 6. Vysvětlete, proč má průrazné napětí přechodu PN způsobené Zenerovým jevem jiný teplotní součinitel, než napětí způsobené lavinovým jevem. Zenerův jev se uplatňuje pouze na velmi tenkých přechodech, příslušné napětí diody je do 6V. Lavinový děj je podobný jako Zenerův, ale uplatňuje se na širších přechodech, a tím i na vyšším napětí. Se zvětšováním závěrného napětí, vzrůstá rychlost minoritních elektronů. Po dosažení určitého kritického napětí je jejich kinetická energie tak velká, že letí elektron ionizuje atom. Počet takto uvolněných elektronů roste geometrickou řadou, aniž by se napětí dále zvyšovalo, jde o lavinovou ionizaci krystalové mřížky. Dochází na širších přechodech PN, kde je velká pravděpodobnost srážky elektronu s atomem během průletu. V tenkých přechodech je pravděpodobnost srážky malá. Čím menší je šířka přechodu, tím snadněji se vyvolá intenzita elektrostatického pole. Teplotní důsledek: Mechanizmus průrazu má vliv na znaménko teplotního součinitele napětí. Diody se Zenerovým průrazem mají záporný teplotní součinitel, s lavinovým průrazem kladný. Vzhledem k tomu, že u většiny diod dochází k oběma průrazům, existuje přechodová oblast, kde je teplotní součinitel nulový ( 5 až 6V). Různé znaménko teplotního součinitele lze s výhodou použít ke kompenzaci teplotních změn.
7. Teplotní posun VA char. PN přechodu qU kT
a
U T
Podle Shockleyova rovnice j = j0 (e − 1) = j0 (e − 1) kde a = q / k. Z tohoto vztahu se dají odpozorovat tři druhy závislosti : a) j je stejné při různých teplotách. Mění se tedy spolu s teplotou napětí. U = f(T) = konst*T b) U je stejné při různých teplotách. Mění se tedy spolu s teplotou proud. U
j = f (T ) = j0 (e konstT − 1) c) v praxi nejrozšířenější - S teplotou se mění jak proud tak napětí.
obrázek naznačující posuny - no moc se nepovedl 8. Fyzikální princip Schottkyho diody Schotkyho dioda využívá přechodu kov-polov. (N-M). Vedení proudu je realizováno pouze majoritními nosiči náboje. V přímém směru menší úbytky napětí než PN. Z N přecházejí do kovu tzv. horké elektrony z vrcholu energ. bariéry, které v kovu ztrácejí přebytek své energie (zpracování signálu s vysokými f). Použití: vvf aplikace (100 Ghz), rychlé spínače, ochranné prvky, součásti IO, ve výkonových usměrňovačích (vysoká účinnost, malé rozměry a hmotnost). Výhody (srovnání s PN): mechanická pevnost, reprodukovatelnost při výrobě, menší šum, vyšší závěrné napětí.
9. Fyzikální princip tunelové diody Tunelová dioda je speciální prvek, který se vyznačuje záporným diferenciálním odporem. Jedná se o přechod PNA vyrobený ze silně dotovaných polovodičů s velmi tenkou ochuzenou oblastí (10nm). Fermiho hladina se v tomto případě nachází mimo zakázaný pás. V polovodiči N ve vodivostním pásu a v polovodiči P ve valenčním pásu. Pásový model přechodu je na obrázku: P
P
N
N
P
N
WcP WVP
WFN
WFN
WFP WCN
e.u
WFP
WFN e.u WFP
WVN a
b
c
Princip činnosti: Celkový proud diody je dán součtem tunelového a (mA) C A difúzního proudu. Při malých napětích se uplatňuje 3 pouze tunelový proud. Pásový diagram má v tomto případě tvar podle obrázku b). Volné elektrony z B valenčního pásu polovodiče N, které leží pod 2 kvazi-Fermiho hladinou WFN mohou tunelovat přes 1 přechod na prázdné energetické stavy ve valenčním pásu nad kvazi Fermiho hladinou WFP v polovodiči P, čímž se dostaneme do bodu A na V-A charakteristice. 0,1 0,2 0,3 0,4 u(V) Při větších předpětích tunelové diody se kvazi-Fermiho úroveň WFN posouvá nad úroveň WFP a pravděpodobnost tunelového přechodu volných elektronů z polovodiče N klesá, protože se zmenšuje počet odpovídajících volných stavů v polovodiči P o stejné energii. Celkový proud procházející diodou se zmenšuje→záporný diferenciální odpor. Při dalším zvýšení napětí dochází k posuvu okraje vodivostního pásu v polovodiči N nad okraj valenčního pásu polovodiče P(obrázek c). Tunelový proud zaniká a na V-A charakteristice se dostáváme do bodu B. Další vzrůst napětí má za následek vzrůst difúzního proudu a V-A charakteristika již odpovídá V-A charakteristice obyčejné diody. Ve zpětném směru prochází tunelovou diodou velký proud vlivem tunelování elektronů z valenčního pásu polovodiče P do vodivostního pásu polovodiče N. i
10. Vyložte fyzikální princip činnosti varikapu (kapacitní diody) a odůvodněte tvar závislosti její kapacity na řídícím napětí. Varikap je dioda, která mění svou kapacitu v závislosti na velikosti přiloženého napětí. Podle vztahu: Cb=KU-n. , kde n=0,5 pro strmý přechod PN C n=1/3 pro pozvolný přechod PN. U
Pro výrobu se používá zpravidla Si na nižší kmitočty, Ge nebo GaAs pro vysokofrekvenční použití. Princip je stejný jako obyčejná dioda, avšak v závěrném směru, kde se využívá se projevuje kapacita PN přechodu. Na PN přechodu vzniká ochuzená oblast, doprovázena vnitřním elektrickým polem, jejíž velikost se mění v závislosti na přiloženém napětí, čímž se mění i kapacita diody. Nevýhodnou je: nelineární kapacita závislá na kmitočtu pouze jedna polarita kapacity, protože v opačném směru je dioda vodivá jako běžná dioda. malé průrazné napětí. Varikap je tedy kapacitní součástka, jehož kapacita se dá ladit přivedeným pomocným napětím nebo pomalu se měnícím řídícím napětím. Parametry: průrazné napětí -1V - 30V kapacity 20-100pF - 2,5-10pF Varikapy se vyrábějí ve skleněných nebo ve slabých platových pouzdrech.
11. Struktura bipolárního tranzistoru + fyzikální princip jeho činnosti Struktura - Bipolární tranzistor je tvořen emitorovým a kolektorovým přechodem v jednom základním monokrystalickém materiálu. Typ vodivosti báze rozhoduje o typu tranzistoru - PNP nebo NPN. Fyzikální princip činnosti - U tranzistoru na obrázku teče emitorem propustný proud Ie, složený z injektovaných elektronů do báze Ien a minoritních děr z báze do emitoru Iep. Injekční účinnost γe=Ien/Ie je blízká jedné pokud je báze velmi tenká a podstatně méně dotovaná než emitor. Poměr proudu Icn, který dosáhne kolektor, k proudu Ien určuje bázový součinitel přenosu κ=Icn/Ien, který má být opět co nejbližší jedné. Kolektorový proud je tvořen proudem Icn a zbytkovým proudem Icb0, který teče kolektorovým přechodem pólovaným závěrně. Ic = Icb0 + Icn = Icb0 + κIen = Icb0 + γeκIe = Icb0 + αIe , kde α= Icn/Ie je ss proudový zesilovací činitel tranzistoru v zapojení se společnou bází. hodnota se zde pohybuje v rozmezí 0,95 až 0,999. Výkon na výstupu je v průměru 10 až 100krát větší než na vstupu a tranzistor pracuje jako aktivní prvek.
12. Největší výkonové zesílení bipolárního tranzistoru Fakticky neví se tady po mě chce. Bipolární tranzistor pracuje s nějvětším zesílením pokud je zapojen se společným emitorem. Potom je zesílení rovno (proudové 20 - 400),(napěťové (10 100), (výkonové 200 - 2000), též v tomto režimu je nejlépe přízpůsoben. 13. Tři el. schémata pro klidový bod – společný Emitor
15. Nakreslete schéma odporově vázaného zesilovače s bipolárním tranzistorem se společnou bází
h21B 1+h21E Au=Rc ----- = Rc-------h11B h11E
RB
RE h21E R= -------------------RE h21E + h11E RC h21E R= -------------------RC h22E + h21E
RC
UCC CC
CE U11
CE
U22
RE
16. Nakreslete elektrické schéma základního obvodu odporově vázaného zesilovače malého signálu s bipolárním tranzistorem v zapojení se společným kolektorem a uveďte přibližné vztahy pro jeho diferenciální vstupní odpor, napěťové zesílení a diferenciální výstupní odpor.
Au=+ Re vždy menší než 1 h11e Re+
h21e
Rvstup= h11e+( Re . h21e) Rvýstup=
Re. h11e
Re.h21e +h11e
17. JFET v zapojení společný source : V obvodech s unipolárními tranzistory na nízkých kmitočtech často zanedbáváme imaginární části diferenciálních parametrů. Dále je třeba míti na paměti, že některé dif. parametry se výrazně mění spolu s pracovním bodem (zejména g22S). Au = −
g 21S R D g 22 S R D + 1
Rvstup = RG Rvýst =
RD g 22 S R D + 1
18. MOSFET nevodivý kanál MOSFET s indukovaným kanálem. Schéma zapojení odporově vázaného zesilovače pro malé signály, Zapojení se společným sourcem
Rv 7 st =
Rc g 22 s . Rc + 1
AU = −
g 21s . Rc g 22 s . Rc + 1
Rvst = R2
19. MOSFET vodivý kanál
RD RG2
RG1
AU = −
g 21 R D R G1 R G 2 , R VST = g 22 R D + 1 A U R G1 + R G 2
, R VYST =
RD g 22 R D + 1
Parametry G jsou reálnými částmi parametrů y
20. Napište definiční vztahy diferenciálních parametrů typu h pro bipolární tranzistor, vyložte jejich obvodový význam, rozměry a okrajové podmínky jejich platnosti, nakreslete příslušný lineární náhradní obvod. SE: ube = h11ib + h12uce ic = h21Ib + h22uce
SB: ueb =h11ie + h12ucb ic = h21ie + h22ucb
SC: ubc = h11ib + h12uec ie = h21ib + h22uec
Z těchto linearizovaných rovnic můžeme patřičné h parametry tranzistoru určit, avšak musíme vždy vzít v úvahu, že tranzistor je nelineární součástka, tudíž při výpočtu h parametrů z VA charakteristik musíme vzít vždy malou změnu patřičného proudu nebo napětí podle toho jaký parametr právě měříme. Následující parametry jsou jen pro zapojení tranzistoru se společným emitorem. Jednotlivé h parametry mezi jednotlivými zapojeními se dají převádět pomocí převodních vztahů. dU BE Tedy: h11 = při Uce=0 [ Ω] . jedná se o vstupní impedanci při výstupu dI B nakrátko. dU BE h12 = při ib=0 [-] . jedná se o zpětný napěťový činitel při dI CE vstupu naprázdno di h21 = C při Uce=0 [-] . jedná se o proudový zesilovací činitel při výstupu dI B nakrátko diC h22 = při ib=0 [S] . jedná se o výstupní admitanci při vstupu dU CE naprázdno. h12 u2
h21 i1
h11 u1
h22
u2
Jednotlivé parametry jsou tedy závislé na poloze pracovního bodu a také jsou závislé na teplotě, zvláště parametry h11, h22.
21) Napište definiční vztahy diferenciálních parametrů typu y pro bipolární tranzistor, vyložte jejich obvodový význam i1 y11 = ... u22=0 - vstupní vodivost nakrátko [A/V] u11 i1 y12 = ... u11=0 - přenosová admitance ve zpětném směru při vstupu nakrátko [A/V] u 22 i2 ... u22=0 - přenosová admitance v y 21 = u11 přímém směru při výstupu nakrátko [A/V] i2 y 22 = ...u11=0- výstupní vodivost nakrátko u 22 [A/V] 22) Napište definiční vztahy diferenciálních parametrů typu y pro JFET, vyložte jejich obvodový význam ∆i y11 = 1 ∆Pou2 = 0 Definuje vstupní (diferenciální) vodivost na krátko, která je číselně rovna hodnotě ∆u1 změny vstupního proudu i1 změní-li se vstupní napětí u1 o jednotkovou hodnotu, je na vstupu zajištěna podmínka práce nakrátko . ∆i y12 = 1 ∆Pou1= 0 Definuje přenosovou (diferenciální) admitanci ve zpětném směru při vstupu ∆u2 nakrátko, která se rovná změně vstupního proudu nakrátko při jednotkové změně vstupního napětí. ∆i y21 = 2 ∆Pou2 = 0 Definuje přenosovou (diferenciální) admitanci v přímém směru při výstupu ∆u1 nakrátko, která se číselně rovná hodnotě změny výstupního proudu nakrátko při jednotkové změně vstupního napětí. Někdy se označuje jako strmost (transkondukce). ∆i y22 = 2 ∆Pou1= 0 Definuje přenosovou (diferenciální) vodivost nakrátko, je rovna hodnotě změny ∆u2 vstupního proudu při jednotkové změně výstupního napětí a vstupu ve zkratu.
u1 Y11
y12u22
y21u11
y22
u2
23-Unipolární tranzistor MOSFET V běžném provozním stavu se unipolárních tranzistorů všech tipů předpokládá, že reálná složka jejich vstupního proudu je zanedbatelná. Proto se ve spojení s unipolárními tranzistory užívá téměř výlučně LNO(Lineární návrh. obvod) hybridního( Viz obr bez kapacit). i1 = y11 . u1 + y 21 . u2 Pro Y parametry platí: , takže jak je patrné z obr. tak se uplatní jen druhá i2 = y 21 . u1 + y 22 . u2 rovnice. y 22 výstupní admitance [S] y 21 strmost [S] U unipolárních tranzistorù je tøeba respektovat vliv kapacit( Viz obr)
25. Vyložte, co to je saturační zpoždění bipolárního tranzistoru, jaká je fyzikální příčina jeho vzniku a jak se omezuje - při stavu, kdy na E i na C je kladný pól (saturační stav), se uvnitř báze vytváří oblak minoritních nosičů - než stačí všechny částice zrekombinovat, trvá to dobu řádově s, tato časová prodleva se nazývá saturační zpoždění - při sepnutém stavu má mít tranzistor na výstupu co nejmenší odpor a co nejmenší napětí UCE 26) Popište užití bipolárního tranzistoru jako spínače, uveďte jeho výhody a nevýhody, nakreslete jeho náhradní obvod a uveďte souvislost jeho součástí s parametry tranzistor Spínací tranzistor musí mít krátké spínací časy a v sepnutém stavu malou hodnotu saturačního napětí UCESAT.Činost je zřejmá s obr.1 a výstupních charakteristik spínacího tranzistoru obr.2. V sepnutém stavu má mít tranzistor na vstupu co nejmenší odpor a co nejmenší napětí Uce. Z charakteristik je zřejmé, že tento požadavek splní jen pracovní bod na mezní přímce, Ps. Tranzistor zde pracuje v saturaci. Při sepnutí musí do báze téci proud Ib=Ibsat. Saturačnímu pracovnímu proudu Icsat odpovídá saturační kolektorové napětí Ucesat. Tranzistor představuje v sepnutém stavu odpor Ucesat/Icesat. Ve vypnutém stavu uvažujeme spínací obvod přerušený. Ve skutečnosti ve spínacím obvodu teče tranzistorem zbytkový proud Ice0 a pracovní bod leží na výstupní charakteristice s parametrem Ib=0.Ib=Ibsat - tranzistor sepnut. Ib=0 -tranzistor rozepnut.Výhody: Rychlé spínaní.Nevýhody: Nenulový odpor v sepnutém stavu a konečný odpor v rozepnutém stavu
27. Unipolární tranzistor jako spínač :
náhradní schema zapojení unipol. tranz. pto vf Užití stejné jako v otázce č. 26 (dle Vášuly) - používají se MOSFET-y s indukovaným kanálem (UGS = 0 => off) Výhody : - nevýkonnové ovládání s podstatně vyšší pracovní frekvencí - lépe zvládají spínání indukční zátěže Nevýhody : - velký odpor RDS v on (řeší se : moc FET-ů paralelně na jedné křemíkové desce což se projeví na „druhé straně“ : zvýší se vstupní kapacita a dost - nežádoucí proudový impuls) Součásti : a) vstupní kapacita CGS Vlivem této kapacity (která je u výkonových FET-ů veliká) jsou kladeny vysoké nároky na budící obvod, protože kapacita způsobuje velký proudový impuls. b) výstupní admitance y22 Tato admitance, resp. její převrácená hodnota - impedance - většinou udávaná jako odpor RDS v Ohmech, má dosti veliký vliv na výkonovou ztrátu ve stavu ON. PD = ID2 RDS Což mluví samo za sebe. c) strmost y21 - transkonduktance, převodní vodivost tento parametr jetaké důležitý, protože podle něho víme jak velkou úrovní signálu máme anzistor budit vůči velikosti výstupního signálu
ot. 28.:
(viz příloha na papíře). Zadané souřadnice prac. bodu bipolárního tranzistoru. Ve
VA charakteristikách určit parametry h a nakreslit příslušný náhradní obvod...
29. IC
IC
UGS=0V P0
UGS
P0
∆IC
∆IC
UDS=5V ∆UDS ∆UGS UGS
5
10
UDS
Upozornění: Unipolární tranzistor při nízkých kmitočtech má nulový vstupní proud a nulovou vstupní vodivost. Proto je nesmysl chtít u něj určit hybridní parametry. Nejspíš je v zadání chyba. Určuji proto admitanční. Hybridní charakteristiky by se určovaly stejně jako u bipolárního tranzistoru v otázce 28. y 21 =
ic ∆I C při uDS=0, y 21 = u ge ∆U GS
y 22 =
ic ∆I C = u DS ∆U DS
ID
D
G
IC
y21UGS UGS
y22 UDS
S
30. Vyložte fyzikální princip tranzistoru JFET, nakreslete příklad jeho VA charakteristik.Vyložte fyzikální princip činnosti tranzistoru MOSFET, nakreslete příklad jeho VA charakteristik. JFET: Základem je polovodičová destička s nevlastní vodivostí typu N opatřená na obou koncích neusměrňujícími kovovými kontakty, které slouží k přivádění proudu a mají význam emitoru a kolektoru . Do horní i dolní stěny základní destičky je v délce l vytvořena difúzí solně dotovaná vrstva obráceného typu vodivosti (P+) nazvaná hradlo (G- gate). Obě části hradla jsou spolu vodivě spojeny. Hradlo tvoří řídící elektrodu tranzistoru. Prostor mezi částmi hradla se nazývá kanál. Vyprázdněná oblast
G
E
C
G
Jsou-li hradlo i kolektor spojeny s emitorem (Uce=Uge=0) vytvoří se v okolí hradla vyprázdněná oblast . Tloušťku vyprázdněné oblasti je možno měnit napětím přiloženém k přechodu. Přiložíme-li tedy mezi hradlo a emitor napětí Uge, tak, aby přechod byl polarizován ve zpětném směru, můžeme obě vyprázdněné oblasti rozšířit, čímž zúžíme vodivou část kanálu a zvětšíme jeho odpor. Přitom přívodem hradla neprochází téměř žádný proud (řádově pA). G
G
P+
C
E
E
P+
C N
N
G
P+
G
P+
Při nulovém nebo velmi malém napětí Uce je vyprázdněná část kolem části hradla rovnoměrná a proud při vzrůstu Uce se zvyšuje lineárně. Při dalším zvyšování napětí Uce začíná kladné napětí připojené v místě kolektoru na kanál vodivosti typu N působit jako přepětí HRADLO- KANÁL ve zpětném směru a tím rozšiřovat vyprázdněnou oblast. Toto rozšíření ne největší v blízkosti kolektoru, neboť napětí mezi kanálem a hradlem se v důsledku napěťového úbytku působeného proudem Ic od kolektoru k emitoru zmenšuje. Výsledkem je nerovnoměrné rozložení vyprázdněné oblasti podél hradla. K úplnému uzavření kanálu nedojte, kanál se pouze v určitém místě zúží na velmi tenkou vrstvičku, která dovoluje průchodu proudu Ic - nasycená oblast. Z tohoto popisu vycházejí VA charakteristiky JFETu. Ic [mA]
0 -2 -4 -10 Uce[V]
Uge [V]
30b) G S
G D
SiO2
n
S n
n
p
D
SiO2
n
p
MOSFET s indukovaným kanálem
MOSFET s vodivýmkanálem
ID
UGS
indukovaný kanál
UDS
Velikost procházejícího proudu: I 0 =
ID
UGS =0V
vodivý kanál
MOSFET s indukovaným kanálem: Předpokládejme nejprve UDS=0. Je-li též UGS =0, je odpor mezi S a D dán odporem polovodiče, který je v tomto stavu vysoký. Zvýšíme-li napětí UGS tak, že G je na vyšším potenciálu než S, vytvoříme pod SiO2 na povrchu polovodiče kanál indukovaných záporných nábojů. Tím se odpor mezi S a D zmenší. Připojíme-li nyní UDS, může procházet mezi D a S proud. Tento proud však způsobuje úbytek napětí, takže ve vzdálenosti y od S bude napětí UG mezi hradlem a kanálem dáno vztahem: UG = UGS - u(y). Napětí UG se s rostoucí vzdáleností od S zmenšuje a kanál se zužuje.
UGS
UDS
µ ef zC 0 U 2P l
, kde µ je
efektivní pohyblivost, C je kapacita SiO2, l je vzdálenost S a D. Z tohoto vztahu vyplývá kvadratická závislost V-A charakteristik. MOSFET s vodivým kanálem Pod vrstvou SiO2 existuje kanál stejné vodivosti, jako je S a D. Proud tedy může procházet i když je UGS =0. Tento tranzistor má dva režimy činnosti. Pro UGS >0 je to takzvaný obohacený mód. Při tomto módu se vodivost zvětšuje. Kromě toho může pracovat při UGS <0, kdy dochází ke snižování vodivosti (ochuzený mód)
31) odporová a nasycená část VA char. unip. JFETu Pro malé hodnoty Uds se unipolární tranzistor (JFET) chová jako odpor tímto napětím řízený. Pokud však napětí Uds zvětšíme (> 0,x V) dostaneme se do oblasti nasycení, která je způsobena vyprázdněnou vrstvou (viz obr.) a větší proud už neprojde. Z výstupní VA je vidět, že proud stále trochu roste, což je způsobeno silným el. polem, které vyvolává tunelový jev.
32. Odporová a nasycená část výstupních car MOSFET Při malých napětích mezi emitorem a kolektorem (řádově desetiny voltu) se MOSFET chová přibližně jako lineární rezistor, Jehož odpor závisí na napětí Uge. Říkáme, že tranzistor pracuje v odporovém režimu. Voltampérové charakteristiky v odporové oblasti lze v prvním přiblížení nahradit přímkami procházejícími počátkem. Jejich směrnice závisí na napětí Uge. Při určitém napětí Uce je kolektorový proud již tak veliký, že odčerpá všechny elektrony, které je řídící elektroda schopna při daném napětí Uge do kanálu přitáhnout. Kolektorový proud je nasycen a jeho velikost se vzrůstajícím kolektorovým napětím Uce se zvětšuje jen nepatrně. Říkáme, že pracuje v oblasti nasyceného proudu. C
odporová
nasycená oblast
G E
33-JFET-zaškrcení kanálu Pokud je tranzistor bez řídícího napětí ugs, představují oblasti 4 ochuzenou vrstvu přechodu P + N . Připojíme-li dále napětí u DS tak, aby kanálem 1 protékali elektrony, efektivní průřez kanálu se změní, ochuzená vrstva změní tvar. Ochuzená vrstva má příliš vysokou rezistivitu a na přenosu proudu ke kolektoru se při otevřeném kanálu nepodílí. Protože tloušťku oblasti 4 mùžeme měnit staticky napětím na hradle, lze ovlivňovat efektivní průřez kanálu, tj. zmenšovat jej a ovlivňovat proud id - odtud tranzistor řízený polem. Při nenulovém napětí u DS protéká kanálem proud id , který způsobuje úbytek napětí u(y) vzhledem k source a s rostoucí vzdáleností se vlastní zvětšuje závěrné napětí uGS . S jeho vzrůstem se zvětšuje oblast prostorového náboje, vodivý kanál se tedy směrem ke kolektoru zužuje. K případnému zaškrcení kanálu by tedy došlo a na jeho konci. Kdyby se kanál zaškrtil neprocházel by místem zaškrcení žádný proud a proto by se právì v tom místě objevilo napětí u DS , jehož intenzita by nutila prùchod proudu.
35. Vyložte důvod citlivosti vstupu unipolárního tranzistoru MOSFET na poškození elektrostatickým nábojem - elektrostatický náboj může způsobit průraz dielektrické vrstvy SiO2 mezi elektrodou G a elektrodami S,D - tato vrstva je velice tenká ( řádově s ) - poškození dielektrické vrstvy lze předejít : 1. elektrody jsou opatřeny zkratovací fólií, která se odstraní až po montáži 2. následujícím zapojením
36) Uveďte definice tříd práce aktivních prvků výkonových zesilovačů a porovnejte jejich vzájemné výhody a nevýhody. Jeden cykl harmonického signálu rozdělím na 360 stupňů.Třídy zesilovačů se od sebe liší tím, po jakou část cyklu zpracovávaného signálu pracují (zesilují).Záleží na tom ,kdy je aktivní výkonový prvek ve vodivém stavu, neboli na tzv. úhlu otevření. Třída A: je definována jako provozní režim,při kterém je úhel otevření aktivního prvku 360 stupňů. ( stale vodivý ). Výhodou je, že zpracovává celou periodu signálu. Nevýhodou je jeho špatná energetická účinnost ( max. 50 %). Je aktivní i při nulovém vstupním signálu. Třída B: je definována jako provozní režim, v němž je úhel otevření 180 stupňů a aktivní prvek je vodivý pouze pro jednu polaritu budícího signálu. O jakou polaritu se jedná záleží na zapojení obvodu. Výhodou je vyšší energetická účinnost až 80%. Nevýhodou je zesílení jen jedné periody a vzniku nelineárního a přechodového zkreslení, které se musí odstraňovat( další součástky). Třída C: je definována jako provozní režim, ve kterém je úhel otevření aktivního prvku menší než 180 stupňů. Je-li úhel otevření podstatně menší než 180 stupňů mluvíme o hluboké třídě C. Výhody: Čím menší úhel otevření tím vyšší účinnost. Nevýhoda: Aby se dosáhlo stejné hodnoty výstupního výkonu, je při zmenšování úhlu otevření zapotřebí úměrně zvětšovat špičkovou hodnotu proudu, vnuceného aktivním prvkem do zátěže, nebo špičkovou hodnotu střídavého napětí, které se objeví na zátěži.=omezující činitel.
37. Účinnost zesilovače ve třídě A : Pro účinnost zesilovače platí vztah :
η=
PAC U ef I ef = PDC U CC I C
kde U ef =
(U CC − U CE 0 ) 2
a I ef =
( I C − I CEO ) 2
kde UCB0 a ICE0 můžeme pro svou velikost vůči UCC nebo IC zanedbat a potom U CC I C U ef I ef P η = AC = = 2 2 = 0.5 PDC U CC I C U CC I C Toto odvození platí pouze pro : a) Pracovní bod je nastaven na UCE = 0.5 UCC b) Zesilovač je buzen maximálním signálem (aby na výstupu byl signál nezkreslen) Z toho vyplývá, že účinnost je lineárně závislé na velikosti vstupního buzení, to jest při nulovém signálu je účinnost nulová!
ot. 38.: Teoretická účinnost tranzistorového zes. ve třídě B. Předpokládáme, že převodní char. má tvar přímky, proudové průběhy na tranz. odpovídají obrázkům a při plném vybuzení je zbytkové napětí na tr. = 0. Dobu trvání půlvlny = . Maximální amplitudy UM a IM uvažujeme jako jednotkové, tím i zatěžovací odpor Rz je jednotkový. Vzhledem k tomu, že zesilovač pracuje ve třídě B můžeme za Rz volit libovolnou nenulovou hodnotu Omezením je maximální přípustný proud tranz. a PCmax , pak je výstupní výkon definován: U .I U .I Příkon je dán součinem stálého (stejnosměrného) napětí Ucc, které Pzat = M M = M M 2 2. 2 předpokládáme rovné vrcholovému napětí UM a střední hodnoty odebíraného proudu: π 2U M I M UM . Pro účinnost potom dostáváme: Pnap = I (t ).sin(ω . t )dt = ∫ π T 0 UMIM Pzat π 2 η= = = ≅ 78,54% 4 Pnap 2.U M I M
π
40. Uveďte které parametry elektronického aktivního prvku omezující maximální výkon zesilovače užívajícího takového prvku. Zesilovače můžeme rozdělit do několika skupin, podle toho se mění i velikost hodnot parametrů, důležitost těchto parametrů ve funkci jejich zapojení. Zesilovače konstruované pomocí: Bipolárních tranzistorů: Důležité parametry u bipolárních zesilovačů jsou: Mezní hodnoty udává výrobce pro každý druh tranzistoru zvlášť. Např. KC 147 . nf Tranzistor : Mezní Ucbo=45V Uce=45V Ic=100mA Uebo=5V Pcmax=0,2W υ=125°C Charakteristické Icbo=15nA při Ucb=10V h21=125-500 Ucb=5V ft=150MHz Unipolárních tranzistorů: Např. BF 245 B Mezní Uds=30V Charakteristické Ciss=3pF
Udg=30V Uds=-30V Ig=10mA Pd=350mW υ=150°C Crss=0,7pF Coss=0,9pF fmez=700MHz
Operačních zesilovačů: Např. MAA 741 Mezní: Ucc=3-22V Uid=30V Ui=15V Ptot=0,5W υ=-55-125°C Charakteristické Napěťová nesymetrie, Proudová nesymetrie, Vstupní klidový proud, Vstupní odpor,Teplotní drift,Rycholst přeběhu, Napěťové zesílení otevřené smyčky atd.
Rz
Rp C +
Ty1
Ty2
Předpokládejme, že tyristor Ty1 je sepnutý a je potřeba ho rozepnout. Tyristor Ty2 je rozepnutý. Na kondenzátoru je napětí v naznačené polaritě. Sepnutím tyristoru Ty2 dojde k tomu, že elektroda (+) kondenzátoru se připojí k zemi a tak bude napětí na druhé elektrodě kondenzátoru oproti zemi záporné. Tím dojde i ke komutaci katody tyristoru Ty1 a tyristor se rozepne.
41) Zesilovač ve třídě C je charakterizován úhlem otevření menším než π . Aby se dosáhlo stejného výstupního výkonu je při zmenš. úhlu otevř. třeba úměrně zvětšovat špičkovou hodnotu proudu vnucovaného aktivním prvkem do zátěže nebo špičkovou hodnotu střídavého napětí, které se objeví na zátěži => hlavní nevýhoda (každý reálný zes. prvek má mezní hodnoty špičkového U a I.). Výhodou je, že úplně chybí jakýkoli zdroj pro nastavení klidové polohy pracovního bodu (postačuje využití oblasti kladného napětí Ube, ve které ještě tranzistor není otevřen,jako „předpětí“ pro uspokojivý provoz ve třídě C). 42. Zesilovač ve třídě A Zesilovače rozdělujeme dle úhlu otevření do několika skupin. Pokud je úhel otevření rove 360o říkáme, že zesilovač pracuje ve třídě A. Tedy ve třídě A nenastává v průběhu signálu žádný časový interval ve kterém by aktivní prvek přestal být vodivý, Tedy výstupní signál je nezkreslen po celou dobu periody=>dobrá linearita zesilovaného signálu. Tento režim zesilovače není výhodný, neboť účinnost nepřesáhne 50% (v teoretickém případě, skutečnost 25-30%). U zesilovače ve třídě A je účinnost lineární funkcí vybuzení. Stupeň totiž odebírá z napájecího zdroje stále stejný příkon i v případě že není vůbec vybuzen. Bez buzení je tedy účinnost nulová. U DD I Do P 1 2 η = zat = = Pnap U DD I Do 2 Příklad zapojení: jakýkoliv zesilovač s pracovním bodě Ucc/2 Ic/2. 43- Výkonové zesilovaèe ve třídě B Pro dosažení dobré energetické účinnosti výkonových zesilovačů pracujících s analogovými signály v akustickém pásmu se nejčasněji užívá pracovního režimu aktivních součástek označovaného jako „třída B“. Charakteristika: aktivní prvek má klidový pracovní bod nastaven tak, že průchod ss proudu je právě na hranici zániku., v ideálním případě tedy právě záporný. Proud výstupem tranzistoru bude tedy procházet pouze pro jednu polaritu okamžitých hodnot střídavého vstupního signálu.(v klidu není odběr, ztrátový výkon je nulový).V přítomnosti nenulového vstupního střídavého signálu se z napájecího zdroje odebírá proud úměrný střední hodnotě té polarity , která daný tranzistor otevírá. -větší energetická účinnost než ve třídě A -veliké nelineární zkreslení vstupního signálu -zesilují se pouze ty signálové hodnoty, které tranzistor otevírají Pro zesílení obou polarit napětí se používá tzv. komplementárního zapojení tranzistorù.(VIZ obr)
-
45. Tyristor
j3 K
N2
j2 P2
j1 N1
P1
A
G - polovodičový prvek se 3 PN přechody, který je schopen měnit skokem vnitřní odpor - spínací prvek - rozdíl oproti diodě je v tom, že nespíná samovolně, ale na vnější povel, avšak vnějším povelem ho nelze rozpojit - k tomu je zapotřebí změna polarity na tyristoru po dostatečně dlouhou dobu (pro rekombinaci minoritních nosičů) - může se nacházet ve 3 stavech - závěrný, blokovací, propustný závěrný - na A záporný pól, na K kladný, na řídící elektrodě není napětí, téměř celé napětí je na přechodu j1 blokovací - na A záporný pól, na K kladný, na řídící elektrodě je kladné napětí proti K, P1N1P2 se chová jako tranzistor, téměř celé napětí je na přechodu j2 propustný - z blokovacího stavu proudem řídící elektrody - vlivem proudu Ig jdou elektrony z N2 přes závěrně polarizovaný j2 do N1, kde jsou majoritní - minoritní z j1 se dostávají do P2 a to tak dlouho, dokud nedojde k polarizaci j2 do propustného směru - má široké použití v silnoproudé elektrotechnice - využití jako spínací prvek - fototyristor, optotyristor, vypínací tyristor, vysokofrekvenční tyristor - dále pro usměrňování napětí ( fázové řízení, celopulsní řízení )
46) Vyložte, co je to fázové řízení tyristoru, nakreslete příklad jeho časových diagramů, uveďte hlavní výhody a nevýhody. Popis činnosti obvodu při fázovém řízení:V horním řádku je průběh napájecího napětí, ve druhém řádku je spouštěcí impuls a ve třetím řádku je průběh proudu zátěží. Vidíme , že tyristor zůstává nevodivý až do příchodu spouštěcího impulzu. Od okamžiku spuštění vede až do okamžiku kdy skončí kladná půlperioda a proud klesne na nulu.Časovým posouváním periodického spouštěcího impulsu vůči napájecímu průběhu se mění využitá část periody, zdůrazněná šrafováním neboli úhlem otevření. Užitím jednoho tyristoru lze využít jen jedna půlperioda, chceme-li ovládat obě půlperiody musíme udělat antiparalelní zapojení tyristorů a každý z nich musíme řídit vlastním řídícím obvodem. Výhody: Snadná regulace napětí od 0V . Nevýhody: Vznik vyšších harmonických a tím i možný vznik rušení.
47. Celopulzní řízení tyristoru a triaku : (ty-tr) Principem této regulace je pouštění respektive nepouštění nějakých vybraných půl-period do zátěže. Výkon odevzdaný do zátěže je přímo úměrný (na rozdíl od fázového řízení) počtu propuštěných period za jednotku času (t = n * T, kde T je délka periody). Spínací součástka se spíná při průchodu zatěžovacího proudu nulou. Výhody : a) mnohem menší úroveň vysokofrekvenčního rušení na rozdíl od fázového řízení, protože při sepnutí dochází k napěťovému skoku, který je zdrojem vf rušení. b) ztráty na ty-tr jsou nižší při spínání, protože Uty-tr neprodělává tak veliký skok mezi max a min hodnotou. c) nejsou tak veliké proudové rázy na jistící prvky Nevýhody : a) při tomto řízení dochází k znatelnějším a méně pravidelnějším skocím výstupního výkonu (např. trhání-pulsace hřídele, ...) b) ?
ot. 48.:
Fázové a pulsní řízení tyristoru-rušivé vlivy:
Při fázovém řízení tyristoru dochází k následujícím rušivým vlivům: rychlé změny proudu o několik řádů při tomto řízení způsobují negativní vznik vyšších harmonických spínaného signálu, ovlivňují tvar signálu v síti zátěže, při spínání pouze jedné půlvlny dochází k tomu, že střední hodnota proudu odebíraného ze sítě není nulová (lze odstranit antiparalelním zapojením Ty) což způsobuje stejnosměrné sycení jader transformátorů v obvodech sítě. Při celopulsním řízení dochází modulaci průběhu napětí v síti, tj. k deformaci sinusového průběhu v síti. Pokud bude celopulzní řízení použito pouze pro jednu periodu dochází opět k ss sycení jader Tr. Z uvedených údajů je zřejmé, že celopulsní řízení je výhodnější z hlediska frekvenčních rušení, ale při použití fázového řízení lze narozdíl od celopuls. měnit výkon dodávaný do zátěže spojitě.
49. J1 J2 J3
A P N P N K
G
Při přechodu ze sepnutého stavu do blokovacího je nutno obnovit blokovací schopnosti přechodu J2 tím, že z jeho blízkostí odstraníme nosiče náboje. Vypnutí tyristoru běžného provedení není možno provést přerušením proudu do řídící elektrody. Jde to buď snížením procházejícího proudu tyristorem pod hodnotu vratného proudu nebo krátkodobou komutací anody do závěrného směru. V době komutace nesmí být na řídící elektrodu připojeno napětí. Příklad zapojení pro vypínání tyristoru je na obrázku:
50. Popište princip vypínání GTO v obvodu se stejnosměrným napájením. GTO („Gate Turn Off“)- speciální tyristor, který umožňuje pomocí svého hradla nejen tyristor spustit, ale i vypnout. Uplatnění má v obvodech pulsních měničů, invertorů, bezkontaktních vypínačů a jiných aplikacích. Jelikož po zapnutí tyristoru ve stejnosměrném obvodu se běžný tyristor sám nevypne, musí se přivést na GATE záporné napětí, a to do doby alespoň než jeho napětí neklesne na 0. V zásadě jsou ale dva způsoby jak vypínat tyristor v ss aplikacích a. Zmenšením propustného proudu na úroveň vratného proudu Iho. (stejně jako u běžného tyristoru) b. záporným vypínacím impulsem přivedeným na hradlo Gp. Princip vypínání: - zapínací impuls A
K
Igt
- vypínací impuls
- stav vypnutí
A
If
A
If
K
If-Igt
K
I
Výhodnou požití varianty b tedy speciálního GTO tyristoru je, že se nemusí používat masivní induktory a kapacitory nutné k vypínání běžných tyristorů.
51)
1 u ( t ) dt T∫ Výpočet zvlnění provedeme podle vztahu : I ∆t * 100 [%] p= * * 2 2 CN U VYST .STR
Uvýst.střední =
Toto zapojení je velice jednoduché, ale má hodně nevýhod : 1) dlouhé časové intervaly, kdy se do zátěže nedodává žádná energie; 2) proud odebíraný ze sekundárního vinutí napájecího transformátoru má ss složku rovnu hodnotě zatěžovacího proudu, ta způsobuje v jádře transformátoru stejnosměrnou magnetizaci, která je nanejvýš nežádoucí, protože vede k nelineárnímu chování transformátoru a silně zvětšuje jeho ztráty. Obě tyto nevýhody odstraníme, jestliže budeme do zátěže dodávat energii během obou půlperiod napájecího napětí => dvoupulsní a můstkový usměrňovač. 52) Dvoupulsní usměrňovač Dvoupulsní usměrňovač : transformátor má dvě stejná sekundární vinutí zapojená do série, dvě diody, které vedou střídavě. Výsledný průběh usměrněného napětí je dán abs(sin(t)). Výhodami oproti použití jednocestného usměrnění jsou: Při jednocestném usměrnění vznikají dlouhé časové intervaly, kdy se do zátěže nedodává žádná energie, proto je třeba použít velkých filtračních kondenzátorů. Proud odebíraný ze sekundárního vinutí transformátoru má ss složku danou hodnotou zatěžovacího proudu. Ta způsobuje v jádře transformátoru ss magnetizaci (vede k nelineárnímu chování transformátoru a silně zvyšuje ztráty).Výpočet zvlnění : U I t u 2U D ϕ zv = zv1 , ∆u = s = st , U zv 2 C RCf
D1
C
Rz
U[V] Ustř Ušš
D2
53-můstkový usměrňovač-výpočet zvlnění Pro přibližný výpočet zvlnění musíme nejprve udělat několik zlehčujících opatření: -požadovaná hodnota poměrného zvlnění je malá tj. nanejvýš 10% -z toho plyne-doba vodivosti diody je také malá, vhledem k době trvání periody -vybíjecí exponencielu nahradíme přímkou - ideální transformátor Tato situace je na obr.2. Časové okamžiky t1,t2 jsou po sobì následující nabíjení kapacitoru.. Pro malé úhly úhly otevření, které předpokládáme,nezáleží na tom zda se jedná o jednopulzní nebo dvojpulzní usměrňovač, rozhoduje pouze délka trvání intervalu t = t 2 − t1 . Pro absolutní velikost zvlnění potom platí: ∆u =
I S . t ust 2 − U D = C RCf
a střední hodnota: u stø = u st 2 − U D −
∆u 2
SROVNÁNÍ: Jednopulzní usměrňovač:Při jednopulzním usměrnění jsou dlouhé časové intervaly, kdy se do zátěže nedodává žádná energie, a proto je třeba využívat velkých hodnot filtračních kapacitorù. Dále proud odebíraný ze sekundárního vynutí má ss složku rovnou hodnotě zatěžovacího proudu. Ta způsobuje v jádře transformátoru stejnosměrnou magnetizaci, která je nanejvýš nežádoucí, protože vede k nelineárnímu chování transformátoru a zvětšuje jeho ztráty. Dvojpulzní usměrňovač:Nevýhodou navíjení dalšího vynutí trasformátoru,finančně náročnější, než přidání dalších dvou diod. Výhodou o něco lepší účinnost vlivem dvojnásobného úbytku napětí na diodách mùstku.
-
55. Vyložte princip činnosti fototranzistoru, uveďte jeho výhody a nevýhody ve srovnání s fotodiodami - fototranzistor je optoelektronický detekční prvek - proud vzniklý absorbcí dopadajícího záření je zesílen tranzistorovým jevem - maximum záření musí být absorbováno v oblasti báze ( B není vyvedena, protože závisí na záření ) - záření vytváří páry elektron-díra , elektrony se pohybují k E, díry k C - výhodou oproti diodám je větší citlivost (o 1-2 řády vyšší), nevýhodou je nižší rychlost spínání (jednotky, desítky µs) 56) Vyložte princip činnosti svítivky (luminiscenční diody), popište její základní vlastnosti, materiálová omezení při její konstrukci. Chceme-li, aby polovodivý materiál generoval optické záření, musíme ho vybudit. V optických zdrojích záření se toho dosáhne injekcí nosičů přes přechod PN. Elektroluminiscenční dioda je tedy založena na tom, že kromě dominantního proudu v přímém směru se uplatňuje rekonbinační složka, která vzniká při mezipásových přechodech elektronů a dále tunelová složka. Pokud se při rekombinaci generuje foton mluvíme o zářivé rekombinaci. Ve skutečnosti probíhá více rekombinačních mechanizmů najednou. Vlnová délka závisí na druhu polovodiče a na mechanizmu zářivé rekombinace. Polovodivé materiály pro zdroje záření mají mít tyto vlastnosti : -vhodnou šířku zakázaného pásu, která určuje vln. délku emitorového záření, -jednoduchou a levnou přípravou materiálu, -přímé mezipásové přechody, tj. velkou účinnost zářivé rokombinace, -chemickou stálost a odolnost, - možnost přípravy obou typů vodivostí pro vytvoření přechodu PN, - možnost legování vhodnými příměsemi pro vznik záření s požadovanou vlnovou délkou.
57. zářivá a nezářivá rekombinace Spolu s dominantním proudem v přímém směru se uplatňuje rekombinační složka, která vniká při mezipásových přechodech elektronů a dále se uplatňuje tunelová složka. Pokud se při přechodu generuje : a) foton - jedná se zářivou rekombinaci b) fonon - jedná se o nezářivou rekombinaci, energie se předává krystalové mřížce (Augerův přechod). Ve skutečnosti probíhá více rekombinačních dějů najednou. Vlnová délka záření závisí na druhu polovodiče (šířce zakázaného pásu) a na mechanismu zářivé rekombinace. Požadovanou vlnovou délku lze do jisté míry upravit vhodnou dotací. ot. 58.: Sluneční článek. Jako sluneční článek se nejčastěji používají speciální fotodiody (velká plocha) zapojené zásadně v hradlovém režimu (viz obr.). Pro dobrou funkci je třeba nastavit Rz, tak aby byl výkon článku co největší. Vyrábějí se z mono-krystalického Si (účinnost 15-18%) nebo i z poly-krystalického a amorfního, ale zde je již účinnost nižší (kolem 8%).
Pro dosažení max. výkonu je třeba zapojit diody do jakési matice, ve sloupci sériově a několik sloupců paralelně. To kolik součástek bude ve sloupci a kolik bude potřeba sloupců určíme z požadovaného výkonu. Na obrázku je V-A char. fotodiody, největšího výkonu dosáhneme při volbě pracovního bodu tak, aby žlutá oblast byla co největší. Principem činnosti je osvětlování PN přechodu, při kterém dochází k emisi elektronů, které způsobují elektrický proud.
59. Laserový jev může nastat v soustavě, v níž mohou elektrony nabývat energie dané třemi diskrétními hladinami W1<W2<W3. Nejdříve se elektrony nacházejí v nevybuzeném stavu na hladině W1. Dodáním energie W>W3 přejdou na hladinu W3. Při návratu jejich část přejde přímo na hladinu W1. Část z nich však přejde na W2 a teprve po určité době na W1. Počet elektronů padajících z W2 musí být menší než počet elektronů přecházejících z hladiny W1 na hladinu W3. Dochází pak k takzvané populační inverzi. Na hladině W2 bude více elektronů než na hladině W1. Nastane řízená emise. Ta musí převládat nad absorbcí a spontánní emisí doprovázející celý proces. Řízená emise nastává mezi hladinami W1 a W2. W3 3 W2 1
2 3
W1 1. Vybuzení elektronů ze zákl. stavu 2. Spontánní přechod el. z vybuzeného stavu 3. Přastup na W2 4. Řízený přestup elektronů do ákl d íh t ý t l
U polovodičového laseru nejsou diskrétní hladiny ale přechody elektronů nastávají mezi vodivostním a valenčním pásem. Populační inverze nastává v případě: WFC - WFV ≥ hν, kde WFC, WFV jsou zdánlivé fermiho hladiny. Dosažení populační inverze: vybuzení elektronů pomocí světla, svazkem elektronů nebo lavinovým násobením nosičů. 60. Vyložte rozdíl mezi spontánní a stimulovanou fotoemisí v polovodičích. Popište jejich praktické využití Spontánní fotoemise: N počátku je elektron vybuzen na úroveň W2, po uplynutí střední doby života přeskočí zpět na úroveň W1 a generuje foton (NÁHODNÝ DĚJ). Energie generovaných nosičů je menší než šířka zakázaného pásu. Stimulovaná fotoemise: Zářivý rekombinační proces tohoto typu je podmíněn interakcí vybuzeného elektronu na úrovni W2 se stimulujícím elektromagnetickým polem. K rekombinaci elektronu dojde z podnětu stimulujícího fotonu v době kratší než je doba života elektronu při spontánní rekombinaci. Vzniklý foton je prakticky totožný se stimulujícím, má stejnou frekvenci, fázi i polarizaci. Tímto jevem dochází k zesilování zářivého toku. Obě fotoemise jsou dobře znázorněny na dvouúrovňovém modelu pevné látky: Spontánní fotoemise:
Stimulovaná fotoemise:
W2 hυ W1
hυ
hυ
hυ
61) Termistory jsou nelineární rezistory (se souměrnou charakteristikou), jejichž hodnota odporu závisí na teplotě. Mají záporný teplotní součinitel, tedy jejich odpor klesá s teplotou. VA: Zpočátku roste proud lineárně s napětím, sklon čáry je dán teplotou prostředí. Pak vzniká lavinová ionizace atomů v kristalické mříži a diferenciální odpor je záporný. Při ještě větším proudu úbytek na termistoru klesá (přechod do oblasti kladného dif. odporu). Při dalším zvětšování proudu dojde po dosažení maximální dovolené výkonové ztráty k tepelnému přehřátí a posléze ke zničení termistoru. Slouží k měření a reguleci teploty (kontrola teploty ve spalovacích motorech), k ochraně žhavicích vláken elektronek, ke stabilizaci napětí, pro měření malých proudů na vkv, ke kopmpenzaci vlivu teploty na změny vlastností elektrických obvodů atd. t [s] 62) Pozistor Pozistor je nelineární, symetrický odporový jednobran, jehož odpor se zvyšující se teplotou se výrazně zvětšuje. Fyzikálně jde o součástku vyrobenou z feroelektika. U feroelektrik existuje narozdíl od dielektrik spontánní polarizace.Velikost spontánní polarizace se mění s teplotou. Při určité teplotě dochází k zániku této polarizace a permitivita klesne z tisíců na jednotky. Značka pozistoru: +υ Voltampérové charakteristiky je nutno měřit s ohledem načasovou konstantu pozistoru aby došlo k ustálení teploty. Měří se při stále teplotě okolí, tím lze získat charakteristiky závislé pouze na oteplení procházejícím proudem. Pro různé teploty okolí dostaneme soustavu křivek s parametrem ϑa = konst . Závislost lze rozdělit na část, v níž odpor nepatrně klesá s teplotou a na vzestupnou oblast, v níž odpor po průchodu minimem velmi prudce roste. Další oblast navazuje na horní část se záporným teplotním součinitelem a pro praktické využití nemá význam. Použití: Především jako teplotní čidlo (ochrana proti přetížení motorů...), indikátor teplotního odporu (měří se přestup tepla), jako časový spínač (zpoždění přítahu relé, rozběh jednofázového motoru) R[ Ω]
107
i[mA]
102 ϑ [ o C]
0
5
10
15 u[V]
63- Hallův jev Na obr. 1 je uspořádání vodiče, kterým protéká elektrický proud I a na který pùsobí současně magnetické pole. Elektrický proud je realizován volnými nosiči proudu, které jsou vychylovány magnetickým polem. U polovodiče s vyjádřenou vodivostí se objeví na nepřeplněných R kontaktech 3,4 potenciální rozdíl E H , jehož hodnota je definována vztahem: E H = H . I . B d kde R H je materiálová konstanta B magnetická indukce d tloušťka destièky I protékající proud EH Hallovo napětí V elektrickém poli se díry pohybují obráceným zpùsobem než elektrony. V krystalu na obr.2 se díry pohybují ve směru A a elektrony ve směru B. V magnetickém poli se elektrony vychýlí ve směru N, díry ve směru M. Natáčejí-li elektrony potenciální hladiny ve směru RS, naklánějí díry potenciální hladiny na opačnou stranu (směr TU). Znamená to, že výsledný efekt při stejné koncentraci elektronů a děr je nulový . Je-li polovodič vodivosti P nebo N objeví se Hallovo napětí. Hodnota E H je tedy definována majoritními nosiči, objeví-li se nosiče minoritní tak Hallovo napětí snižují. -minimum minoritních nosičů -vektor mag. indukce kolmo k destičce - èím menší tloušťka destičky, větší citlivost,nížší mechanická pevnost.
65. Nakreslete elektrické schéma jednoduchého vf výkonového zesilovacího stupně s vakuovou triodou a vyložte jeho činnost
+ R2 C2 A C1
U22
Ucc
R1 U11
K
- zapojení je podobné se zapojením s tranzistorem - řídící mřížka mezi anodou a katodou vakuové triody umožňuje ovládat proud - je-li potenciál mřížky roven potenciálu katody ,má anodová charakteristika stejný průběh jako charakteristika diody - záporné napětí mezi mřížkou a katodou vytváří brzdící elektrostatické pole a tím se zmenšuje anodový proud - řídícím napětím U11 se řídí napětí U22 66) Popište základní druhy termokatod pro vakuové součástky a uveďte jejich základní výhody a nevýhody. Katoda se zahřívá průchodem proudu žhavícím vláknem. Je-li vlákno obvykle wolframové samo emisní katodou, jde o přímožhavenou elektrodu. Je-li katoda tvořena kovovou trubičkou , v níž je izolované žhavící vlákno upevněno, je to nepřímožhavená katoda. Povrch katody je pak opatřen emisní vrstvou ze směsi sloučenin prvků s malou výstupní prací. Přímožhavené katody se používají ve velkých vysílacích elektronkách, nepřímožhavené v elektronkách malého výkonu. Přímožhavená katoda musí mít v sérii termistor, aby nedošlo při zapnutí ke zničení elektronky.
67. Neutralizace vf lampového zesilovače : V zapojeních se společnou katodou, emitorem a sourcem se při vf aplikacích začíná uplatňovat přenosová kapacita CMK, CBE, CGS, která by při využití plného dosažitelného zesílení vedla k nestabilitě, nebo přinejmenším k chybám ve tvaru kmitočtové charakteristiky zesilovacího stupně. Pro její negativní účinky je nutné její vliv potlačit. Tomuto postupu se říká neutralizace neboli unilateralizace. Neutralizace se dosáhne tak, že do mřížky (Báze, Hradla) se přivede z výstupního obvodu sinál, který má stejnou velikost, ale opačnou fázi, než signál pronikající na vstup průchozí kapacitou. Protože na vysokých frekvencích není možné zanedbat vliv nenulového odporu, který je uvnitř tranzistoru v sérii s kapacitou CMK, musí neutralizační obvod obsahovat i sériový odpor. Jedině neutralizovaný stupeň můžeplně využít zesílení, které je tranzistor schopen poskytnout. Signál pro neutralizaci o potřebné velikosti získáme z výstupního laděného obvodu odbočkou. Viz obrázek
: ot. 68.: Průletový klystron: Schéma průletového klystronu sem kreslit nebudu a když to dostanu do písemky tak sem pěkně v p****i. Schéma je na příloze. Klystron pracuje na využití konečné průletové doby elektronových svazků zkrz elektronku. Zde se svazky tzv. modulují, aby v proletujícím svazku byly vytvořeny shluky elektronů (dále již jen e-). Katoda, urychlovací a zaostřovací soustava vytváří e- svazek a po průletu mřížkami rezonátoru I a II dosáhne kolektoru. Zavedením vstupního signálu do prvního rezonátoru se v první půlperiodě e- urychlí oproti svazku a ve druhé zpomalí. Tím urychlené e- dohánějí zpomalené a vznikají místa bez nábojů a zase naopak e- shluky. Tyto shluky postupují střední rychlostí svazku, která je závislá na urychl. napětí Uz. Průlety e- indukuji ve druhém rezonátoru proud s kmitočtem vst. nap. Fáze brzdícího napětí na rez. II je taková, že když prolétává rez. max. e- je napětí nejvyšší, tj. snaží se rozehnat shluky e-. Jelikož je poměrná vzdálenost mezi mřížkami velmi krátká, tj. doba po kterou je elektronový svazek v „záběru“, je i výkonové zesílení klystronu malé. Zvětšením interakce, tj. zvýšením počtu dutin podél dráhy svazku lze zvýšit výk. zes. Toť ke klystronu vše, doufám, že ste z toho chytřejší než já.... :-))
69. Magnetron se provozuje za stavu, kdy je mag. pole nad kritickou hodnotou Bk. Slouží pak k výrobě el. kmitů velmi vysokého kmitočtu. IA Při chodu magnetronu se rozkmitají všechny dutiny. Kmity se udržují vzájemným působením elektronů, které se pohybují po akčním prostoru. řada rezonátorů zde tvoří periodickou zpomalovací strukturu pro elmag. vlnu. Struktura je rezonanční a proto se na anodě objeví točivé pole s tvarem stojatého nebo postupného vlnění. To závisí na počtu dutin a na počtu vytvořených vln. Energie se odvádí vazební smyčkou z jedné dutiny. Bk B Nejčastěji pracují magnetrony m módu π. Magnetron s postupnou vlnou není jemnovlnný a dá se vybudit na více kmitočtů. Nežádoucí módy se vylučují zavedením zkratovacích propojek mezi body, které mají ve správném módu stejný potenciál ve stejném okamžiku. Výhody: spolehlivost, jednoduchost, vysoká účinnost, malé rozměry. Nevýhody: nemožnost přelaďování, špatná stabilita vyráběného kmitočtu.
1 - těleso anody 2 - katoda 3 - rezonanční dutina 4 - výstupní vedení 5 - štěrbina rezonátoru
70. Vyložte princip vytvoření zaostřeného urychleného svazku elektronů elektronovou tryskou. Elektronová tryska slouží k vytváření elektronového svazku, k jeho urychlení a jeho zaostření na luminofor. Skládá se z katody, první mřížky a několika dalších elektrod.Poslední elektroda, která má z pravidla největší napětí vůči katodě se nazývá anoda. Celá soustava je na zobrazena na obrázku. G1
G2
G3
G4
V těsné blízkosti svého emitujícího povrchy je katoda překryta mřížkou G1 tvořenou trubicí, která je uzavřena clonou o průměru cca 1mm. Velikostí záporného napětí na této elektrodě řídíme proud svazku elektronů a tím jas stopy. Ve směru pohybu elektronů následuje ve vzdálenosti asi 1mm další elektroda (mřížka) G2 s konstantním napětím proti katodě. Zaostření obrazu se provádí pomocí elektrod G2 a G4, na kterých je stejné napětí. Svazek se zaostřuje pomocí elektrody G3, která je umístěna mezi G2 a G4. Poslední mřížka G4 je spojena se slabím povlakem na obrazovce, který odchytává elektrony sekundárně vyražené z luminoforu obrazovky. Urychlování elektronu: Elektron emitovaný z katody je urychlován anodovým napětím obrazovky Uak. V okamžiku, kdy byl emitován a nachází se v blízkosti katody je jeho potenciální energie rovna Wp=UakQe, tato energie se během pohybu přemění na kinetickou energii Wk=1/2 mv2 odtud dostáváme rychlost, kterou dopadne elektron na luminofor: 2U AK q e samozřejmě výsledek platí pro rychlosti v značně menší než v= me rychlost světla, kdy je hmotnost ještě konstantní. Vychylování svazku:- elektrostatickým vychylováním - elektromagnetickým vychylováním
71) Elektrostatické vychylování zaostřeného elektronového svazku v obrazovce: Výchylka je vytvářena silou elektrostatického pole dvou navzájem kolmých dvojic vychylovacích destiček a je úměrná napětí mezi destičkami. Elektrostatický systém je málo závislý na kmitočtu, a proto dovoluje vychylovat svazek velkými rychlostmi, avšak vychylovací úhel je pouze 30 stupňů ( ± 15 od osy) => použití v osciloskopech. Vychylovací napětí se přivádí na obě desky příslušného páru současně s navzájem obrácenou fází. Při průletu svazku prostorem mezi vychylovacími deskami uděluje elektrostatické pole jednotlivým elektronům zrychlení ve směru kolmém k ose obrazovky => změna dráhy z přímočaré na prabolickou. Po opouštění prostoru mezi deskami letí opět přímočaře. 1 d1 d Výchylka svazku na stínítku: D = * * * U , kde U-vychylovací napětí; Ua-anodové napětí; 2 d2 UA d1-délka destiček; d2-vzdálenost destiček; d-vzdálenost středu destiček od stínítka. Je tedy zřejmé, že větší citlivost budou mít desky bližší ke katodě (=>vychylování ve svislém směru). U magnetostatického vychylování lze dosáhnout větší výchylky. Magnetostatické vych. narozdíl od elektrostat. vych. závisí výchylka částic na jejich hmotnosti => větší opotřebovávání středu obrazovky (iontová skvrna). 72) Magnetické pole vytvářející výchylku je buzeno dvěma páry vychylovacích cívek. Cívky pro vychylování ve směru svislém jsou navinuty na feritovém prstenci, který se nasazuje na hrdlo obrazovky v místě, kde se baňka rozšiřuje. Popsaný pár je překryt párem cívek pro vychylování ve směru vodorovném. Tyto civky nejsou navinuty na feritovém jádře. Popis vychylování (pro jeden pár cívek): Elektron letící rychlostí v1 vstoupí ve směru osy obrazovky do magnetického pole s indukcí B v místě označeném O. Síla, kterou magnetické pole na elektron působí, je kolmá k směru pohybu elektronu i ke směru indukčních čar pole a změní jeho přímočarý pohyb na pohyb po kružnici. Po opuštění magnetického pole pokračuje elektron v pohybu ke stínítku ve směru tečny ke své kruhové dráze sestrojené v místě kde přestalo pole působit. Výchylka : qe d dB D= 2 me U A 1 Výchylka je přímo úměrná B, tedy proudu vychylovací soustavou. Nepřímo úměrná anodovému napětí UA a vzdálenosti d (vychylovací cívky od stínítka). Odtud dostáváme při použití magnetického vychylování snadněji větší výchylku. Při magnetickém vychylování je výchylka úměrná druhé odmocnině z jejich hmotnosti. Proto jsou částice nestejně vychylovány na stínítko. Těžké ionty jsou vychylovány velmi málo a dopadají do středu stínítka (ztráta jasu). Ochrana : stínítko je pokryto napařenou vrstvičkou hliníku, která propustí pouze elektrony, těžké ionty uvíznou v její krystalové mřížce. B B
O
α D
d1 d
73-Popis měření VA charakteristik bipolárního tranzistoru měření vstupních charakteristik: Měření vst. charakteristik se provádí podle obr. 1. Při konstantním nenulovém napětí U CE se měří závislost U BE = f ( I B ) . měření výstupních charakteristik: Měření vst. charakteristik se provádí podle obr. 1. Při konstantním nenulovém proudu I B se měří závislost U CE = f ( I C ) . optimalizace klidového pracovního bodu: V zesilovači malého signálu budeme předpokládat signál, který má rozkmit přibližně souměìrný na obě strany. Proto je nutné, aby napěťová souřadnice klidového pracovního bodu v kolektoru byla rovna přibližně polovině napájecího napětí ( při zanedbání zbytkového saturačního napětí v kolektoru).
75. Ze zadaných parametrů obvodu a voltampérové charakteristiky Zenerovy diody vypočtěte činitel stabilizace napětí proti kolísání napětí napájecího zdroje UZener S= ---------Uzdroje - úloha se dá řešit graficko-početní metodou a to následovně Předpokladem je obvod Zenerova dioda + odpor v sérii, zadaná napětí zdroje UZ1 a UZ2 1. do charakteristiky Zenerovy diody přikreslíme charakteristiku odporu (přímka) 2. obě charakteristiky sečteme 3. na této výsledné charakteristice v závěrném směru najdeme bod UZ1 a ve směru k proudové ose najdeme průsečík s charakteristikou Zenerovy diody - zde odečteme napětí na Zenerově diodě UZener1 4. to samé provedeme pro napětí zdroje UZ2 a odečteme napětí na Zenerově diodě UZener2 5. činitel stabilizace vypočteme jako: UZener2 - UZener2 S= ----------------------Uzdroj1 Uzdroj2
76) Popište postup měření řídící charakteristiky obvodu s fázově řízeným tyristorem v obvodu se střídavým napájením a s odporovou zátěží. Princip fázového řízení tyristoru je popsáno v otázce číslo 46. Řídící charakteristika pro jednofázový usměrňovač s fázově řízeným tyristorem(ry) a odporovou zátěží je uveden níže a též možné zapojení usměrňovače. Řídící charakteristika je závislost úhlu otevření na napětí na zátěž. Tuto charakteristiku lze změřit tak, že budeme měnit úhel otevření a měřit výstupní napětí. Ze zjištěných údajů sestrojíme graf.
77. Princip činnosti DC/DC měniče : Je mnoho zapojení a principů jak měnit DC napětí na vyšší DC napění. Například pomocí pulzních transformátorů, násobiče z diod a kondenzátorů, induktorů, atd... . Tyto všechny obvody ale potřebují zdroj střídavého signálu, aby mohli pracovat. Rád bych se zmínil o měniči s induktorem a tranzistorem MOFSET. Jedná se o velmi jednoduché zapojení zdroje vyššího napětí, které je uvedeno na obrázku. Při vypínání induktivní zátěže LZ + RZ dochází k překmitu napětí UDS nad hodnotu napájecího napětí UDD o hodnotu ULZ . Pokud nezapojíme ochranný obvod, je možné napěťovým překmitem přes diodu D nabíjet kapacitor C. Výsledné napětí U2 pak bude po několika vypínacích cyklech rovno hodnotě překmitu napětí UDS. Je nutné v tomto obvodě zvolit diodu s krátkou dobou závěrného zotavení trr a propustného zotavení tfr. Upozornění : Jelikož obvod se provozuje bez ochran, je nutné všechny součástky volit na vyšší napětí, než je napětí napěťového překmitu. Schema zapojení :
ot. 78.: Přechodové zkreslení zes. s bipolár. tr. ve třídě B. Obrázek ukazuje průběh tvarového zkreslení výstupního napětí. Jeho příčinou jsou nelineární převodní charakteristiky. Charakteristickým projevem je, že činitel nelineár. zkrs. není nejmenší při nejmenších amplitudách signálu, ale při amplitudách středně velikých. Toto lze odstranit posunutím převodních charakteristik (jejich linearizací) (vložení pomocných zdrojů do bází tranzistorů), nebo zavedením záporné zpětné vazby. Za tyto úpravy však platíme tím, že klidový proud zesilovačem již není nulový, ale dosahuje malých hodnot. Tento proud je mnohonásobně menší než u zesilovače třídy A. Pro dobré pochopení přech. zkreslení doporučuji si znovu projít měření v tomto předmětu, kde se měril zes. ve třídě B a kde popsané způsoby byly řešeny prakticky.
79. U CC1
R
T2
Při odebírání proudu Iz z výstupu tranzistoru zesilovače, je potřeba do báze tranzistoru T2 dodávat proud Ib. Nejhorší případ nastává při maximální kladné hodnotě proudu Iz. Tento případ nastává, když je již tranzistor T2 nasycen. V tomto okamžiku je UBE2>UCE2 a je nemožné do báze dodávat proud. Řešení: proud do báze bude stálý, jestliže bude konstantní napětí na odporu R. Toho je dosaženo takzvaným „bootstrapem“. Všechny změny výstupního napětí jsou přeneseny kondenzátorem zpět na odpor R a tím je zajištěna dodávka budícího proudu. Jasnější výklad: Elektornika cvičení.
80. Vyložte jaká omezení ve spínacím režimu způsobuje vstupní kapacita výkonového unipolárního tranzistoru MOSFET a popište způsob jeho měření. Tranzistor MOSFET má velmi dobré využití jako spínač analogových i impulsních signálů. Nevodivý kanál má velmi vysoký odpor a vodivý kanál má odpor 200-400Ω proto je vhodný pro spínání větších impedancí (pro spínání malých impedancí se používá bipolárních tranzistorů). Při zpracování signálů, které jsou kratší než časová konstanta vzniklá vstupní kapacitou tranzistoru, vzniká zkreslení hran vstupních signálů, které se potom převádějí na výstup jako jisté zpoždění spínací funkce tranzistoru. Při spínání vzniká zpoždění odezvy proto, že se nejprve musí nabýt parazitní kapacity a poté se teprve přenese signál na výstup. Při zpracování a spínání signálů unipolárních tranzistorů se v obvodu pracuje s malými energiemi. Samozřejmě jsou vstupní kapacity i u bipolárních tranzistorů, kde se zapojení s rychlými diodami např. s Schottkyho diodou.
Měření vstupní kapacity by se dalo provádět na osciloskopu, v režimu XY, kde by jsme změřili dobu náběhu, resp. Časovou konstantu zmíněného RC článku, ze kterého dopočítáme neznámou vstupní kapacitu. C=1/τ. Typické hodnoty kapacit jsou: Cge=1-10pF Ckg=0,3-1,5pF
