Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity Katedra technické a informační výchovy
Základní poznatky o vedení elektrického proudu, základy elektroniky
PaedDr. Ing. Josef Pecina, CSc. Mgr. Pavel Pecina, Ph.D.
2007
Cíl kapitoly Student •
Objasní pojmy elektrické napětí, elektrický proud a elektrická práce.
•
Vysvětlí Ohmův zákon pro část obvodu i pro uzavřený obvod, napíše důležité veličiny a vztahy.
•
Objasní funkci reostatu a potenciometru a nakreslí zapojení těchto prvků do obvodu.
•
Vysvětlí Kirchhoffovy zákony a napíše matematické vztahy, které platí. Na konkrétním příkladu elektrické sítě ukáže postup při použití Kirchhoffových zákonů.
•
Objasní pojmy: elektrická práce a výkon v obvodu stejnosměrného proudu a napíše důležité matematické vztahy.
•
Vysvětlí rozdíl mezi kovem a polovodičem.
•
Objasní princip činnosti polovodičové diody, nakreslí její zapojení do obvodu a uvede příklady jejího využití v obvodech.
•
Objasní princip fotodiody.
•
Vysvětlí pojmy:unipolární a bipolární tranzistor. Nakreslí jejich schematické značky a uvede příklady jejich využití v obvodech.
•
Nakreslí zapojení bipolárního tranzistoru se společným emitorem, vysvětlí výhody tohoto zapojení, napíše důležité vztahy a objasní pojem: proudový zesilovací činitel.
•
Objasní princip funkce tyristoru, triaku a diaku. Nakreslí jejich schematická značení, základní zapojení do obvodu a uvede příklad jeich využití v obvodech.
Předložený studijní materiál začínáme touto kapitolou proto, že ke studiu elektroniky je třeba zvládnout základní poznatky o vedení elektrického proudu, které jsou probírány ve fyzice na střední škole.
1. Elektrický proud jako děj a jako veličina Uspořádaný pohyb volných částic s elektrickým nábojem nazýváme elektrický proud. Těmito částicemi mohou být elektrony (v kovech), nebo kladné i záporné ionty (v elektrolytech). Volné elektrony se pohybují ve vodiči od záporného pólu zdroje ke kladnému. Elektrický proud může být tvořen uspořádaným pohybem kladně nabitých částic nebo částic obojího znaménka. Za směr elektrického proudu se pode dohody považuje směr pohybu kladně nabitých částic. Pokud sestavíme a uzavřeme jednoduchý elektrický obvod se žárovkou (obr. 1), bude jím procházet trvalý elektrický stejnosměrný proud. V našem jednoduchém obvodu vychází směr elektrického proudu z kladného pólu zdroje a směřuje k pólu zápornému (směr šipky).
Obr. 1 Jednoduchý elektrický obvod se žárovkou.
Prochází- li náboj průřezem vodiče rovnoměrně, je elektrický proud I určen jako podíl celkového náboje Q, který projde průřezem vodiče, a doby t, po kterou proud vodičem protékal. I = Q/t
Při nerovnoměrném průchodu náboje průřezem vodiče je střední hodnota proudu určena vztahem: I = ∆Q/∆t
kde ∆Q je celkový náboj, který prošel průřezem vodiče za dobu ∆t. Okamžitá hodnota proudu je určena vztahem:
i=
dQ (derivace náboje podle času). dt
Jednotkou el. proudu je ampér (značka A). Při proudu 1 A prochází průřezem vodiče za 1s náboj 1C. Elektrický proud přímo nelze vnímat. Můžeme vnímat jeho tepelné (např. rozžhavený vodič), chemické a magnetické účinky. Magnetické účinky proudu studoval podrobně francouzský fyzik, matematik a filozof André Marie Ampére (1775- 1836). Ten objevil zákon určující sílu vzájemného magnetického působení dvou přímých rovnoběžných vodičů s proudem. Na základě tohoto zákona je definována jednotka proudu ampér. Elektrický proud se měří ampérmetrem. Ampérmetr se zapojuje do obvodu sériově. Zapojení do jednoduchého el. obvodu máme na obrázku (obr.2).
Obr. 2 Zapojení ampérmetru do obvodu
1.1. Elektrický zdroj a přeměny energie v jednoduchém obvodu Trvalý elektrický proud je podmíněn udržováním stálého rozdílu elektrických potenciálů mezi svorkami zdroje - svorkového napětí U. Mezi kladným a záporným pólem zdroje vzniká uvnitř zdroje i ve vnější části obvodu elektrické pole. Ve vnější části obvodu se volné částice s nábojem pohybují ve směru působení elektrostatických sil. Při tomto pohybu elektrostatické síly konají práci a nabité částice ztrácejí elektrickou potenciální energii, která se přeměňuje na jiné formy energievodič se zahřívá a zvětšuje se jeho vnitřní energie, elektromotor zapojený do obvodu koná mechanickou práci apod. Vnější část obvodu se tedy chová jako spotřebič elektrické energie. Práce W vykonaná elektrostatickými silami ve vnější části obvodu při přenesení náboje Q je určena vztahem:
W=UQ
Svorkové napětí vyznačujeme šipkou orientovanou ve směru, kterým působí elektrostatické pole na kladné částice (tedy od kladné svorky zdroje ke svorce záporné). Elektrický proud probíhá i uvnitř zdroje, kde se volné nabité částice pohybují proti elektrostatickým silám. To znamená, že zde musí ve směru pohybu částic působit ještě další síly jiného než elektrostatického původu. Uvnitř zdroje konají práci neelektrostatické síly. Elektrická potenciální energie nabitých částic se zvětšuje na úkor jiné formy energie, která je uvolňována přímo ve zdroji, nebo přiváděna zvenku. Neelektrostatické síly vykonají při přenesení náboje Q uvnitř zdroje práci W, přičemž podíl:
Ue = W/Q se nazývá elektromotorické napětí zdroje. Jednotkou el. napětí je volt (značka V). Elektromotorické
napětí
vyznačujeme
šipkou
orientovanou
ve
směru
působení
neelektrostatických sil na kladnou částici (tedy od záporného ke kladnému pólu zdroje). Pokud není ke svorkám zdroje připojen spotřebič, obvodem neprochází el. proud a
elektrostatické a neelektrostatické síly jsou v rovnováze. Svorkové napětí nezatíženého zdroje U0 , nazývané jako napětí naprázdno. je proto stejně velké jako elektromotorické napětí.
U0 = Ue Svorkové napětí zatíženého zdroje je menší než elektromotorické napětí. To lze snadno dokázat porovnáním svorkového napětí nezatíženého a zatíženého zdroje. Napětí měříme voltmetrem. Voltmetr zapojujeme do obvodu paralelně (obr. 3).
Obr. 3 Zapojení voltmetru do obvodu
2. Ohmův zákon pro část obvodu, elektrický odpor vodiče Vlastnosti kovového vodiče jako části elektrického obvodu můžeme prověřit pokusem (obr.4). Vodič upevněný mezi pevné svorky je připojen k regulovatelnému zdroji stejnosměrného napětí. Vodič je ponořený do chladicí kapaliny (destilovaná voda, olej).
Obr. 4 Obvod k ověření vlastností kovového vodiče
Proud v obvodu měříme ampérmetrem a napětí mezi konci vodiče voltmetrem. Svorkové napětí zdroje postupně zvětšujeme. Přitom měříme proud v obvodu a napětí na koncích vodiče. Z naměřených hodnot sestrojíme graf závislosti el. proudu na napětí- voltampérovou charakteristiku vodiče. V tabulce č.1 máme výsledky měření pro ocelový drát o průměru 0,37 mm, dlouhý 2m. Teplota vodiče byla při měření udržována pomocí chladicí kapaliny na hodnotě 20ºC. Voltampérovou charakteristiku tohoto vodiče máme na obrázku (obr. 5).
U(V)
1
2
3
4
5
I (A)
0,48
0,95
1,45
1,90
2,35
R (Ω Ω)
2,1
2,1
2,1
2,1
2,1
Tabulka č.1
Voltampérová charakteristika ocelového drátu při stálé teplotě 2,5
2
1,5 Řada1
I(A)
1
0,5
0 1
2
3
4
5
U(V)
Obr. 5
Z naměřených hodnot vidíme, že poměr napětí a proudu je konstantní. Na základě získaných hodnot můžeme definovat Ohmův zákon :
Proud procházející vodičem je přímo úměrný napětí mezi konci vodiče a nepřímo úměrný odporu vodiče. Matematicky: I =
U nebo I = G . U R
R - elektrický odpor vodiče, jednotkou je ohm(značka Ω) G – vodivost , jednotkou je siemens (značka S) Mezi vodivostí a odporem platí vztah:
G=
1 R
Ohmův zákon můžeme vyjádřit v diferenciálním tvaru: j=γ.E
j - hustota proudu γ - měrná elektrická vodivost E – elektrická intenzita
Ohmův zákon byl formulován v roce 1826 německým fyzikem Georgem Ohmem.
Elektrický odpor vodiče závisí na teplotě, délce vodiče, obsahu kolmého průřezu vodiče a na materiálu vodiče. Odpor je přímo úměrný teplotě a délce vodiče a nepřímo úměrný průřezu vodiče. Elektrický odpor se v obvodech realizuje pomocí součástky- rezistoru.
Jeho schematickou značku máme na obrázku (obr. 6).
Obr. 6 Schematická značka rezistoru
2.1. Zatěžovací charakteristika zdroje. Ohmův zákon pro uzavřený obvod Na obrázku (obr. 7) máme schéma zapojení, ze kterého budeme vycházet. K pólům baterie suchých článků (napětí 4,5 V) připojíme nejprve voltmetr a změříme napětí nezatíženého zdroje U0 (označuje se napětí naprázdno). Nepatrný proud procházející voltmetrem zanedbáváme. Už víme, že napětí naprázdno je stejné jako elektromotorické napětí Ue. Poté sepneme vypinač a spojíme tak svorky zdroje přes ampérmetr a reostat o odporu 100Ω. Poté zmenšujeme odpor a zvětšujeme proud I na hodnotu 1A. Přitom měříme svorkové napětí U. Výsledky tohoto měření máme v tabulce č.2.
I (A)
0
U (V) 4,8
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
4,67
4,55
4,42
4,30
4,17
4,4
3,92
3,80
3,67
3,55
Tabulka č.2
Obr. 7 Měření zatěžovací charakteristiky zdroje
Ze získaných hodnot sestrojíme graf závislosti svorkového napětí na odebíraném prouduzatěžovací charakteristiku zdroje (obr. 8).
Obr. 8 Zatěžovací charakteristika zdroje
Zatěžovací charakteristika baterie elektrických článků má lineární průběh. S rostoucím proudem se svorkové napětí zmenšuje a rozdíl U0- U je přímo úměrný proudu. Baterie se chová jako kdyby byla složena z ideálního zdroje s konstantním napětím Ue= U0 a rezistoru Ri, který nazýváme vnitřní odpor zdroje (obr. 9).
Obr. 9 Schéma uzavřeného obvodu
Úbytek napětí na vnitřním odporu je: U0 – U = Ri . I Lineární průběh zatěžovací charakteristiky odpovídá lineárnímu vztahu: U = U0 - R i . I Vyjádříme – li podle Ohmova zákona pro část obvodu svorkové napětí U jako napětí na vnějším odporu R, U= R.I
dostáváme pro elektromotorické napětí Ue vztah: Ue = U0 = U + Ri . I = R . I + Ri . I = (R + Ri) . I Odtud vyplývá Ohmův zákon pro uzavřený obvod:
I=
Ue R + Ri
Proud v uzavřeném obvodu je roven podílu elektromotorického napětí zdroje a celkového odporu: R + Ri.
Při našem pokusu bylo napětí baterie naprázdno U0 = 4,80 V. Při proudu 0,50 A jsme naměřili U = 4,17 V. Z těchto hodnot vypočítáme vnitřní odpor baterie: Ri =
Uo − U 0,63 = = 1,3Ω I 0,50
Pokud bychom zmenšovali odpor R až na hodnotu 0 Ω, nastalo by spojení nakrátko- zkrat. V tom případě by obvodem procházel proud : Ik =
Uo 4,80 = = 3,7 A Ri 1,3
Odběr velkého proudu ze zdroje o malém vnitřním odporu může způsobit poškození zdroje nebo vedení. Proto se do elektrických obvodů zařazují pojistky a jističe, které při překročení určité hodnoty proudu obvod přeruší.
3. Regulace proudu a napětí reostatem a potenciometrem
Reostat je rezistor, jehož odpor můžeme měnit. Zapojujeme ho do obvodu se spotřebičem sériově (obr. 10)
Obr. 10 Zapojení reostatu do obvodu
Pokud chceme např.žárovku, na které jsou vyznačeny jmenovité hodnoty napětí a proudu Uj = 6,3 V, Ij = 0,30A napájet z akumulátorové baterie o elektromotorickém napětí 12V a zanedbatelném vnitřním odporu, musíme nastavit odpor reostatu takto:
R=
Ue − Uj 12 − 6,3 5,7 = = = 19Ω Ij 0,3 0,3
Při odporu reostatu 19 Ω budou jmenovité hodnoty dodrženy. Změnou odporu reostatu můžeme proud procházející obvodem a napětí na spotřebiči regulovat. Nejmenších hodnot proudu dosáhneme při plném odporu reostatu. Potenciometrem lze regulovat napětí na spotřebiči od nulové hodnoty. Zapojení potenciometru máme na obrázku (obr. 11).
Obr. 11 Zapojení potenciometru do obvodu
Obvod je kombinací sériového a paralelního spojení rezistorů. Předpokládejme, že použijeme stejnou baterii a stejnou žárovku jako v předešlém příkladu a celkový odpor potenciometru bude Rp = R1 + R2 = 100Ω. Potom docílíme na žárovce jmenovitých hodnot napětí a proudu (Uj = 6,3 V, Ij = 0,30A) tak, že nastavíme polohu jezdce potenciometru tak, aby platilo:
I2 =
Uj R2
I 1 = Ij +
Uj R2
Ue- Uj = (Rp – R2) . I1 = (Rp – R2) . (Ij +
Uj ) R2
(Ue – Uj) . R2 = (Rp- R2) . (R2Ij + Uj) Po dosazení dostáváme: 5,7 .(R2) = (100 – [R2] ) . (0,3 . [R2]+ 6,3) 0,3 . (R2)2 – 18 . (R2) – 630 = 0 R2 = 84,5 Záporný kořen rovnice – 24,8 úloze nevyhovuje. Potenciometr rozdělíme jezdcem na úseky o odporech R1 = 15Ω, R 2 = 85Ω.
4. Kirchhoffovy zákony Složitější elektrické obvody se nazývají elektrické sítě. Uzel sítě je místo, kde se stýkají nejméně tři vodiče. Vodivé spojení sousedních uzlů se nazývá větev. V této části se omezíme pouze na sítě, ve kterých jsou zdroje a rezistory a ve kterých mají hodnoty proudu a napětí ustálenou hodnotu. Při řešení sítí obvykle známe napětí zdrojů a hodnoty odporů rezistorů. Hledáme hodnoty proudů, které procházejí jednotlivými větvemi a napětí na jednotlivých rezistorech. Lze však také při známých hodnotách napětí a proudů určovat neznámé odpory. Využijeme k tomu zákony, které objevil v roce 1841 německý fyzik G. R. Kirchhoff:
Kirchhoffův zákon (pro uzel elektrické sítě) je důsledkem zákona zachování náboje. Částice s nábojem nemohou v uzlu vznikat ani zanikat. Proto platí, že součet proudů do uzlu přitékajících je roven součtu proudu z uzlu odtékajících. přítékající + odtékající – n
∑I k =1
k
=0
Kirchhofův zákon (pro jednoduchou smyčku elektrické sítě) říká, že součet úbytků napětí na jednotlivých odporech obvodu je roven součtu elektromotorických napětí v tomto obvodu. Jestliže se ve smyčce nachází n rezistorů a m zdrojů, platí: n
m
∑R I k =1
k
k
= ∑ U ej j =1
Postup při praktickém použití Kirchhofových zákonů si ukážeme na příkladu elektrické sítě se dvěma uzly a třemi větvemi (obr. 12). Známe elektromotorická napětí zdrojů a odpory rezistorů. Chceme zjistit proudy ve větvích a napětí mezi uzly. Nejprve zvolíme označení a kladnou orientaci proudů v jednotlivých větvích (bez ohledu na to, že skutečnou orientaci zatím neznáme). Při sestavování rovnice na základě1. Kirchhofova zákona bereme proudy, jejichž vyznačený směr je orientován do uzlu s kladným znaménkem.
Ostatní se znaménkem záporným. Například pro uzel B můžeme psát: I1 + I 2 - I 3 = 0 (1)
Obr. 12 Příklad jednoduché sítě
Při sestavování rovnice na základě 2. Kirchhofova zákona vybereme v síti uzavřenou smyku a zvolíme v ní směr obíhání (čárkované šipky). Elektromotorická napětí orientovaná souhlasně se směrem obíhání a úbytky napětí na rezistorech, kde zvolená orientace proudu souhlasí se směrem obíhání, píšeme kladným znaménkem. Ostatní se znaménkem záporným.
Pro smyčku ADCB platí:
Pro smyčku ABEFA platí:
R1 . I 1 - R2 I2 = Ue1 – Ue2 (2) R 2 . I 2 + R3 . I3 = Ue2 (3)
Dosazením číselných hodnot do rovnic (1), (2) a (3) a zavedením neznámých x = I1, y = I2, z = I3 dostáváme soustavu rovnic: X+y–z=0 0,5x – 1,5y = 1,5 1,5y + 10z = 4,5
Hledané proudy jsou I1= 1,16A, I2 = -0,61A, I3 = 0,54A. Záporný výsledek u proudu I2 znamená, že skutečný směr proudu I2 je opačný než původně vyznačený směr ve schématu. Napětí mezi uzly B, A je orientováno stejně jako proud I3 a má hodnotu: UBA= R3I3 = 5,4 V
5. Elektrická práce a výkon v obvodu stejnosměrného proudu Při přenesení náboje Q ve vnější části jednoduchého elektrického obvodu mezi svorkami zdroje o svorkovém napětí U vykonají síly elektrického pole práci: W = U. Q
Pokud je elektrický proud v obvodu konstantní, platí: Q = I . t , W = U. I . t
Má- li vnější část obvodu odpor R, platí pro práci: W = RI 2 t =
U2 t R
Jednotkou elektrické práce je joule (J).
Změny vnitřní energie vodičů způsobené průchodem elektrického proudu způsobují zvýšení teploty vodiče a tepelnou výměnu mezi vodiči a okolím. Takto přenesená energie Qj se nazývá Joulovo teplo. Pokud nedochází současně k jiným přeměnám elektrické energie(např. na energii mechanickou nebo chemickou), je Joulovo teplo rovno elektrické práci: Q j = UIt = RI 2t =
U2 t R
Výkon elektrického proudu ve spotřebiči o odporu R vypočítáme ze vztahů: P=
W U2 = UI = RI 2 = t R
Jednotkou elektrického výkonu je watt (W).
Uvnitř zdroje vykonají neelektrostatické síly práci: Wz = Ue . Q Tato energie se zčásti spotřebuje ve vnitřním odporu zdroje. Účinnost elektrického obvodu je definována takto:
η=
W UQ U = = Wz U e Q U e
Účinnost můžeme vyjádřit pomocí Ohmova zákona pro uzavřený obvod: η=
RI R = ( R + Ri ) I R + Ri
Účinnost je tím větší, čím větší je odpor spotřebiče v porovnání s vnitřním odporem zdroje.
6. Vedení elektrického proudu v polovodičích Dynamický rozvoj elektroniky v posledních desetiletích je spojen s výrobou a použitím stále složitějších polovodičových součástek. Jestliže chceme pochopit princip jejich činnosti, musíme se seznámit se strukturou polovodičů a s ději, které v nich probíhají při průchodu elektrického proudu.
Polovodiče jsou látky, jejichž měrný elektrický odpor je při obvyklých teplotách v intervalu 10-4Ω .m až 108Ω. m. To je hodnota mnohem větší než u kovů, u kterých dosahuje hodnot 10-8 Ω. m až 10-6 Ω.m. Sama hodnota měrného elektrického odporu však není rozhodující pro zařazení látky mezi polovodiče. Podstatné je, že elektrické vlastnosti polovodičů závisí mnohem více než elektrické vlastnosti kovů na teplotě, na dopadajícím záření a na obsahu různých příměsí. Mezi polovodiče patří mnoho pevných látek. Z prvků jsou to např: křemík(Si), germanium(Ge), selen(Se), telur(Te), uhlík(grafit, C). Z chemických sloučenin je to např. sulfid olovnatý (PbS), sulfid kadebnatý (CdS) nebo arsenid galia (GaAs). Nejjednodušší polovodičové elektronické součástky jsou termistory a fotorezistory. Termistor je teplotně závislý rezistor. Odpor termistoru se se zvyšující teplotou zmenšuje. Termistory se využívají pro měření, regulaci teploty a stabilizaci elektrických obvodů. Fotorezistor je polovodičová součástka, jejíž odpor lze ve velkém ovládat změnou osvětlení. Odpor neosvětleného fotorezistoru bývá větší, než 1 MΩ. Při osvětlení klesá na 103 Ω až 102Ω. Fotorezistory se využívají k regulaci osvětlení.
6.1. Vedení el. proudu v čistém polovodiči. Vlastní vodivost V současné době se nejčastěji pro výrobu polovodičových součástek používá velmi čistý monokrystalický křemík. Atom křemíku má 14 elektronů, z nichž je 10 pevně vázáno k jádru a čtyři zbývající vytvářejí elektronové vazebné dvojice se čtyřmi sousedními atomy v krystalové mřížce. Na uvolnění elektronu z této kovalentní vazby v krystalu křemíku je zapotřebí energie 1,1 eV, příčemž 1 eV = 1,6 . 10-19J. Při nízkých teplotách blízkých nule
termodynamické teplotní stupnice (-273,15 °C) jsou všechny valenční elektrony zapojeny do vazeb a křemík se chová jako izolant. Při běžných teplotách okolo 20°C dochází k „vytržení“ některých elektronů z vazeb. Na místě uvolněného elektronu vzniká prázdné místo. tzv. díra, kde převládá kladný náboj atomového jádra nad nábojem zbylých elektronů. Díra má tedy vlastnost kladné částice. Volné elektrony a díry se v krystalu chaoticky pohybují. Pohyb díry se uskutečňuje postupnými přeskoky elektronu ze sousední úplné vazby na místo s dírou. Setká- li se volný elektron náhodně s dírou, ztrácí část energie, zaplňuje díru a zapojuje se opět do vazebné dvojice. V polovodiči se tímto způsobem udržuje při stálé teplotě dynamická rovnováha mezi tvorbou generací elektron-díra a jejich zánikem - tzv. rekombinací. Pokud zapojíme polovodič do elektrického obvodu, vzniká v něm elektrické pole, které způsobuje uspořádaný pohyb děr ve směru intenzity elektrického pole a volných elektronů ve směru opačném. Výsledný proud v polovodiči je součtem proudu elektronového a děrového:
I = Ie +I
d
Hustota volných elektronů je v čistém polovodiči stejná jako hustota děr a s rostoucí teplotou se rychle zvětšuje. Proto měrný elektrický odpor čistého polovodiče s rostoucí teplotou rychle klesá. U kovů je to naopak. Kovy mají konstantní hustotu volných elektronů a jejich odpor ses rostoucí teplotou zvětšuje (obr. 13).
Obr. 13 Závislost elektrického odporu kovu a polovodiče na teplotě
Výše popsaný typ elektrické vodivosti polovodiče způsobený vznikem párů elektron- díra se nazývá vlastní vodivost. Látky s výhradně touto vodivostí se nazývají vlastní polovodiče. Tuto vodivost může vyvolat kromě tepelného pohybu krystalové mříže také dopad záření na
povrch polovodiče. Generování párů elektron-díra účinkem světelného záření se nazývá vnitřní fotoelektrický jev. Vlastní vodivost polovodičů se využívá pouze v některých typech polovodičových součástek, které jsme již popsali (termistor, fotorezistor). Větší význam má příměsová vodivost polovodičů, které se budeme věnovat dále.
6.2. Příměsové polovodiče Vodivost polovodiče může velmi ovlivnit již nepatrné množství příměsí (cizích atomů, kterými nahradíme atomy čistého krystalu, aniž bychom narušili jeho krystalovou stavbu). Krystal křemíku, který obsahuje jako příměsi atomy pětimocného prvku (např. P, As, Sb) získá elektronovou vodivost.
Z pěti valenčních elektronů příměsí se jen čtyři uplatní v kovalentní vazbě se sousedními atomy křemíku. Zbývající páté elektrony jsou k příměsi vázány jen slabě a už při nízkých teplotách se volně pohybují krystalem. Z příměsí se stávají kladné nepohyblivé ionty, které nazýváme donory (donor-dárce). V takto upraveném krystalu je mnohem více volných elektronů než děr, které vznikají tepelnou generací elektron-díra). Elektrony proto označujeme
jako
většinové
menšinové(minoritní).
(majoritní)
Polovodiče
nosiče
s převládající
náboje
a
elektronovou
díry
jako
vodivostí
nosiče
nazýváme
polovodiče typu N. Pokud do krystalu křemíku použijeme jako příměsi atomy trojmocného prvku (B, Al, Un), získá děrovou vodivost. V tom případě se z něj stane polovodič typu P. Nosiči náboje jsou kladné – pozitivní částice. Každá příměs obsadí svými elektrony jen tři vazby se sousedními atomy křemíku. Vznikne díra, která však může být snadno zaplněna přeskokem elektronu od sousedního atomu křemíku.Třímocné příměsi se tak stávají nepohyblivými zápornými ionty. Nazýváme je akceptory (akceptor-příjemce). Díry vytvořené příměsí se v polovodiči typu P volně pohybují a tvoří zde většinové nosiče náboje. Menšinovými nosiči jsou elektrony. Vodivost vyvolaná pomocí pětimocných nebo třímocných příměsí se nazývá příměsová vodivost polovodičů.
Polovodiče s takovou
vodivostí jsou příměsové polovodiče. Celkový náboj volných elektronů a děr je vyrovnán s nábojem nepohyblivých iontů příměsí. Hustota volných nosičů náboje v příměsovém polovodiči je při nízkých teplotách dána množstvím příměsí. Proto je prakticky konstantní. Při zahřívání polovodiče se od určité teploty začne projevovat také vlastní vodivost, která podstatně zvyšuje zejména koncentraci minoritních nosičů. U většiny polovodičových
součástek je tento jev nepřípustný a jejich provozní teplota tedy musí být chlazením udržována na takové teplotě, při které se vlastní vodivost neuplatní.
6.3. Přechod PN. Polovodičová dioda Většina polovodičových elektronických součástek využívá vlastnosti přechodu mezi oblastmi typu P a typu N vytvořenými vhodnou technologií v jediném krystalu polovodiče.
Polovodičová dioda je součástka se dvěma vývody připojenými ke krystalu polovodiče s jedním přechodem PN. Vývod spojený s oblastí typu P se nazývá anoda, vývod spojený s oblastí typu N je katoda. Schematickou značku polovodičové diody máme na obrázku (obr. 14).
Obr. 14 Schematická značka polovodičové diody
Polovodičová součástka je nelineární součástka. Není řízená Ohmovým zákonem. Její vodivost závisí na její velikosti i na orientaci připojeného napětí. Pokud diodu zapojíme v tzv. propustném směru (obr. 15), vede elektrický proud a obvodem prochází proud tak, jako by procházel bez zapojené diody. Ze zapojení vidíme, že v propustném směru je dioda zapojena anodou ke kladnému pólu a katodou k zápornému pólu. Žárovka svítí.
Pokud diodu zapojíme v závěrném směru (obr. 15), diodou prochází nepatrný proud, který nelze změřit ani citlivým mikroampérmetrem. Popsaná závislost vodivosti diody na polaritě připojeného napětí se nazývá diodový jev.
Obr. 15 Demonstrace diodového jevu
Polovodičové diody plní v elektronických obvodech různé funkce, které budou podrobněji popsány v dalších kapitolách (usměrňování střídavého proudu, stabilizace, ochrana proti přepólování apod.).
Voltampérová charakteristika diody je graf závislosti proudu, který protéká diodou na připojeném napětí. Rozlišujeme část charakteristiky v propustném směru a část v závěrném směru.
Obr. 16 Voltampérová charakteristika křemíkové usměrňovací diody
Obě části charakteristiky se kreslí obvykle se společnými osami, přičemž část v propustném směru umísťujeme do I. Kvadrantu a část v závěrném směru do III. Kvadrantu. Veličiny naměřené v propustném směru označujeme indexem F, v závěrném směru používáme index R. Je vhodné volit na kladných poloosách jiné měřítko než na poloosách záporných. Na obrázku máme voltampérovou charakteristiku křemíkové usměrňovací diody (obr. 16) . Její průběh je zhruba exponenciální. Proud je v propustném směru zpočátku velmi malý. Až po dosažení tzv. prahového napětí Ufo začíná rychle růst. U křemíkové diody je prahové napětí asi 0,6V. Při trvalém zatížení nesmí překročit hodnotu Ifm udanou výrobcem. V závěrném směru je proud procházející usměrňovací diodou velmi malý. Napětí na usměrňovací diodě nesmí překročit průrazové napětí Ubr. Jinak by došlo k prudkému růstu proudu a ke zničení diody. Stabilizační diody jsou vyrobeny tak, aby mohly pracovat v závěrném směru. Ve vysokofrekvenčních obvodech se používají hrotové diody, u kterých má přechod PN nepatrné rozměry a je vytvořen v místě styku destičky polovodiče s kovovým hrotem. Větší prahové napětí mají luminiscenční diody (diody LED).Tyto diody v propustném směru svítí. Základní vlastností polovodičové diody je závislost procházejícího proudu na polaritě napětí na diodě. Diodou prochází proud jen když je anoda připojena ke kladnému pólu zdroje napětí. Při opačné polaritě má dioda velký odpor a prochází jí jen nepatrný proud. Pokud diodu připojíme do obvodu střídavého proudu (obr. 17), pracuje jako elektrický ventil. Prochází jí proud jen v kladných půlperiodách vstupního střídavého napětí. V záporných půlperiodách napětí obvodem neprochází. Výstupní napětí na pracovním rezistoru R je stejnosměrné a pulsující. (tepavé). Dioda pracuje jako jednocestný usměrňovač a obvodem prochází stejnosměrný proud. V praxi je třeba omezit pulsaci výstupního napětí. Toho se dosáhne pomocí kondenzátoru C zapojeného paralelně k výstupu usměrňovače. V kladných půlperiodách se kondenzátor nabíjí a v záporných půlperiodách se přes rezistor R vybíjí. Kondenzátorem se pulzace částečně vyhladí (obr. 17 nahoře).
U jednocestného usměrňovače není využita jedna polovina usměrněného střídavého napětí. Proto se v praxi používá usměrňovač se čtyřmi diodami v tzv. Graetzově zapojení. Dnes se vyrábí tyto usměrňovače v integrované podobě.
Obr. 17 Jednocestný usměrňovač
Fotodiody jsou zhotoveny tak, aby do blízkosti přechodu PN mohlo proniknout světelné záření, které zde generuje páry elektron- díra. Osvětlená fotodioda je vodivá i v závěrném směru a stává se zdrojem elektrického napětí. Tohoto jevu se využívá k přímé přeměně energie světelného záření na energii elektrickou ve slunečních článcích
6.4. Tranzistor Tranzistor patří k důležitým polovodičovým součástkám. Jedná se o třívrstvou polovodičovou součástku se třemi vývody, která má zesilovací schopnost. Základní materiály při výrobě tranzistorů jsou křemík a germanium. Podle technologie výroby rozlišujeme dva druhy tranzistorů- unipolární a bipolární.
U unipolárních tranzistorů se na vedení proudu podílí jeden typ nosičů- většinové nosiče a aktivní oblastí je značná část tranzistoru. Jsou založeny na řízení pohybu nosičů náboje elektrickým polem, přičemž vedení proudu se uskutečňuje v tzv. kanále jedním typem nosičů-
většinovými elektrony nebo dírami. Užívá se pro ně zkratka FET. Vodivost tohoto tranzistoru je řízena dvojím způsobem: Změnou průřezu vodivého kanálu rozšiřováním přechodu PN nebo MS. Změnou koncentrace většinových nosičů v kanále.
V současnosti se rozdělují unipolární tranzistory do tří základních typů: Tranzistory s přechodovým hradlem označované zkratkou JFET. Tranzistory s izolovaným hradlem označované IGFET (v praxi IGFET nebo zkráceně MOS) Tenkovrstvé tranzistory s izolovaným hradlem TFT. Ty v poslední době nachází uplatnění v plochých televizních obrazovkách.
Protože je proud v unipolárních tranzistorech přenášen majoritními nosiči, jsou tyto prvky odolnější vůči změnám teploty a dopadajícímu ionizujícímu záření než bipolární tranzistory. Pro nepřítomnost menšinových nosičů jsou zapínací a vypínací body unipolárních struktur dány především parazitními kapacitami, které musí být nabity a vybity při každém sepnutí a vypnutí. Tyto kapacity jsou teplotně nezávislé. To je výhoda oproti bipolárním součástkám. Nesetkáváme se u nich s jevy akumulace (hromadění) menšinových nosičů a jejich postupnou rekombinací. Na obrázku máme schematické značky a popis vývodů (obr. 18).
Obr. 18 Schematické značky unipolárních tranzistorů
S (source) – zdroj, emitor G(gate) - řídící elektroda D(drain) - odtok, sběrná elektroda, kolektor B - báze(většinou spojení s G)
U bipolárních tranzistorů se na vedení el. proudu podílejí oba typy nosičů tzv. většinové i menšinové. Aktivní částí tranzistoru je jen jeho malá část- přechody a přilehlé oblasti přechodů. Jsou založeny na principu injekce (vstřikování) a extrakce(odsávání) nosičů náboje. Jedná se o třívrstvou polovodičovou součástku, která v podstatě představuje antisériovou kombinaci přechodů PN uspořádaných v jediném monokrystalu tak, že jedna z oblastí je oběma přechodům společná. Tato oblast se nazývá báze (B). Další dvě oblasti jsou opačným typem vodivosti než báze a nazývají se emitor (E) a kolektor (C). Podle uspořádání vrstev rozlišujeme dva typy těchto tranzistorů: PNP a NPN. (obr. 19).
Obr. 19 Bipolární typy tranzistorů (znázornění analogie s diodami, pořadí vrstev a schematické značení)
Použití tranzistoru v obvodech: Jako elektronické spínače. Jako nízkofrekvenční zesilovače. Stabilizátory napětí. Tranzistory mohou být v obvodu zapojeny třemi různými způsoby: zapojení se společnou bází, zapojení se společným kolektorem a zapojení se společným emitorem. V praxi se nejčastěji používá zapojení se společným emitorem .protože při tomto zapojení dochází ke
napěťovému i proudovému zesílení . Na obrázku máme zapojení tranzistoru jako spínače (obr. 20).
Obr. 20 Tranzistor zapojený jako spínač U1 - vstupní napětí U2 - provozní napětí UBE - napětí báze- emitor UBesat - saturační napětí báze- emitor Ic - proud kolektoru IB - proud báze Bmin - minimální poměr stejnosměrných proudů Rv – předřadný odpor báze RL – odpor zátěže Prochází- li proud tranzistorem, je roven součet proudů IB a IC proudu emitoru: Ie = IB + IC Další parametr je napětí báze - emitor tzv. řídící napětí. Toto napětí UBE musí být větší než prahové napětí odpovídajícího polovodičového materiálu. Např. u křemíku může být až 0,8 V. Pokud toto napětí nepřesahuje příslušnou hranici, je tranzistor zavřen. U tranzistoru jako spínače jsou jen dva provozní stavy - tranzistor vede(je otevřen) nebo nevede (je zavřen). Otevřený tranzistor má mezi kolektorem a emitorem malý odpor. Zavřený tranzistor má mezi kolektorem a emitorem velký odpor.
Tím je zátěž připojena nebo
odpojena. Pokud připojíme k tranzistoru vstupní napětí U1, prochází bází proud Ib. Proud
báze řídí v tranzistoru proud kolektorový Ic., který prochází zátěží. Proud báze je tranzistorem zesílen, a proto je to spínací zesilovač. Proud kolektoru je funkcí proudu báze Ic = f (IB). V praxi je třeba určit hodnotu RV, který omezuje proud do báze. Základním parametrem tranzistoru je proudový zesilovací činitel :
h21E =
∆I c při UCE = konst. ∆I b
Veličina ∆Ic je změna kolektorového proudu způsobená změnou proudu do báze ∆IB. při konstantním napětí UCE mezi kolektorem a emitorem. Parametr h21E je u běžných hodnota řádově asi 10 2. Jeho hodnotu pro různé typy tranzistorů nalezneme v katalogu součástek (např.katalog GM ELECTRONIC). Minimální proud báze IBmin, který je nutný k zapnutí je možno přečíst z výstupní charakteristiky. Lze ho spočítat i z hodnot v katalogu.(hodnoty h21E a Ic). K bezpečnému sepnutí tranzistoru se používá proud IB = k . IBmin. Přičemž k je činitel přebuzení. Volí se 2 až 5, čímž se zaručí jisté a rychlé zapnutí. Protože tranzistor není ideální spínač, zůstává mezi emitorem a kolektorem zbytkové napětí UCesat asi 0,2V. Platí: Ic =
U V − U CEsat RL
IB =
Rv =
k ⋅ Ic Bmin
(U1 − U BEsat ) ⋅ Bmin k ⋅ Ic
6.5. Tyristor Tyristor je řízená křemíková usměrňovací dioda. Tyristory se používají pro střídavá i stejnosměrná napětí- např. ke spínání spotřebičů, k řízení výkonu, k řízení otáček motorů apod. Tyristor je vlastně spojení dvou bipolárních tranzistorů ve čtyřvrstvé struktuře s třemi přechody PN.
V praxi je možné konstruovat tyristory typu PNPN a NPNP. Používá se však jen struktura PNPN. U druhé varianty se nedaří z fyzikálně-technologických důvodů dosáhnout potřebných parametrů. Na obrázku máme základní uspořádání a schematickou značku tyristoru PNPN (obr. 21). Tyristor má tři elektrody: A- anoda, K- katoda, G- řídící elektroda.
Obr. 21 Základní uspořádání vrstev tyristoru PNPN a jeho schematická značka
Obr. 22 Tyristor připojený ke stejnosměrnému napětí
Na obrázku (obr.22) máme zapojení tyristoru do obvodu se stejnosměrným napětím. Zatěžovací rezistor R2 je zapojen k anodě tyristoru. Tím nemá zatěžovací rezistor vliv na řídící napětí. Při stisknutí spínače S prochází řídícím obvodem proud IG, který je omezen předřadným rezistorem R1. Při uvolnění spínače zůstává tyristor otevřený. Proto stačí k otevření tyristoru kladný proudový impulz. Má- li se spotřebič vypnout, musí klesnout pod hodnotu tzv. vratného proudu. Při poklesu pod tuto hodnotu se tyristor zavře. V praxi se to realizuje např. vypínacími tyristory. Pokud připojíme tyristor ke střídavému napětí, chová se jako usměrňovač. Na zatěžovacím rezistoru jsou po otevření tyristoru jen kladné půlvlny.
Záporné půlvlny tyristorem neprochází. Otevření probíhá stejně jako u stejnosměrného napětí, kladným impulzem do řídící elektrody. Posouváním impulsu uvnitř kladné půlvlny se reguluje výkon do spotřebiče. Na obrázku (obr. 23) máme voltampérovou charakteristiku tyristoru, která vypovídá o jeho činnosti. Má tři větvě, z nichž každá odpovídá jednomu z provozních stavů- závěrná, blokovací a propustná. Na svislou osu jsou naneseny hodnoty proudu (v horní polovině propustný proud IT, dole závěrný proud IR, ). Vodorovná osa značí vložené napětí (vpravo v propustném směru UD, vlevo v závěrném směru UR). Čárkovaná část značí přechod jedné části charakteristiky v druhou.
Obr. 23 Voltampérová charakteristika tyristoru, znázorňující jednotlivé provozní stavy tyristoru UBR- průrazové napětí. Než se dosáhne této hodnoty, proud v závěrném směru je velmi malý a s rostoucím závěrným napětím prakticky neroste. Po jeho dosažení nastává proudový zlom a tyristorem teče zkratový proud. Stejně se chová dioda, pokud dosáhneme její závěrné napětí. UBO – spínací napětí v propustném směru. Po jeho dosažení tyristor samovolně sepne a trvale vede proud. UT- úbytek napětí na zapnutém tyristoru.
6.6. Triak Triak je obousměrný triodový tyristor (nebo pětivrstvý triodový tyristor). Je to pětivrstvá součástka NPNPN (obr.24). U triaků se uplatňují nové jevy - může být spínána i záporným řídícím signálem, a proto se může použít i pro spínání střídavého napětí
Obr. 24 Vnitřní struktura triaku a schematická značka
Triaky se Používají např. k řízení otáček motorů nebo k regulaci osvětlení apod. Vývody triaku se označují G- Gate (řídící elektroda), A1 (Anoda1) a A2 (Anoda2).
Ná obrázku
máme základní zapojení triaku (obr. 25).
Obr. 25 Základní zapojení triaku
Proud I
G
a napětí UGA1 jsou nutné k otevření triaku. Triak může být otevřen nezávisle na
tom, je li na A1 proti A2 kladná nebo záporná, nebo je- li mezi řídící elektrodou G a anodou 1
impulzní napětí. Přitom může být mezi G a A1 libovolná polarizace. Na obrázku (obr.26) máme voltampérovou charakteristiku Triaku. Z ní je patrné, že triak je součástkou symetrickou. Na obou stranách od vodorovné osy tj. pro oba směry proudu IA1, I A2 nalézáme stav blokovací a stav propustný. Tvar blokovací charakteristiky, stejně jako u tyristoru, ovlivňuje velikost zapínacího proudu řídící elektrody IGT. Znamená to, že napětí UGT a zapínací proud IGT určuje řídící vlastnosti triaku.
Obr. 26 Voltampérová charakteristika triaku, znázorňující blokovací a propustné stavy
6.7. Diak Diak je symetrický vícevrstvý křemíkový prvek. Svou strukturou připomíná tranzistor NPN bez prostřední elektrody- báze. Na obrázku máme jeho schematickou značku (obr. 27). Značení vývodů není třeba, protože se jedná o symetrickou součástku
. Obr. 27 Schematická značka diaku
Na dalším obrázku máme voltampérovou charakteristiku diaku (obr. 28).
Obr.28 Voltampérová charakteristika diaku
Přiložíme- li k svorkám diaku libovolné napětí libovolné polarity, neprochází proud do té doby, dokud napětí nedosáhne hodnoty spínacího napětí UBO na přechodu PN. Tento druhý přechod (z kterékoliv strany) v diaku je vždy pólován v závěrném směru. V okamžiku otevření závěrného přechodu pronikne spínací proud I
BO
celým diakem. Touto vlastností se
diak vyznačuje u obu přechodů PN (tedy z obou stran). Proto nezáleží na připojení elektrod. Není tedy nutné jejich označení. Napětí na diaku klesá s rostoucím proudem na hodnotu UF, která je asi o 5V nižší než spínací napětí.
Otázky a úkoly •
Objasněte pojmy elektrické napětí a elektrický proud.
•
Vysvětlete podstatu Ohmova zákona pro část obvodu i pro uzavřený obvod, napíše důležité veličiny a vztahy.
•
Objasněte funkce reostatu a potenciometru a nakreslete zapojení těchto prvků do obvodu.
•
Vysvětllete Kirchhoffovy zákony a napíšte matematické vztahy, které platí.
•
Na konkrétním příkladu elektrické sítě ukážte postup při použití Kirchhoffových zákonů.
•
Objasněte pojmy: elektrická práce a výkon v obvodu stejnosměrného proudu. Napište důležité matematické vztahy.
•
Vysvětllete rozdíl ve vodivosti mezi kovem a polovodičem.
•
Objasněte princip činnosti polovodičové diody, nakreslete její zapojení do obvodu a uveďte příklad jejího využití v obvodech.
•
Objasněte princip fotodiody.
•
Vysvětlete pojmy:unipolární a bipolární tranzistor.
•
Nakreslete jejich schematické značky a uvede příklady jejich využití v obvodech.
•
Nakreslete zapojení bipolárního tranzistoru se společným emitorem, vysvětlete výhody tohoto zapojení, napíšte důležité vztahy a objasněte pojem: proudový zesilovací činitel.
•
Objasněte princip funkce tyristoru, triaku a diaku.
•
Nakreslete jejich schematické značení, základní zapojení do obvodu a uvede příklad jeich využití v obvodech.
Literatura BASTIAN, P A KOL. Praktická elektrotechnika. Praha: Sobotáles, 2004. ISBN 80-86706-07-9. BEZĚK, M. Elektronika I. České Budějovice: Kopp, 2005. ISBN 80-7232-171-4. BEZDĚK, M Elektronika III.. České Budějovice: Kopp, 2005. ISBN 80-7232-241-9. CETDOSTÁL, J. Elektrotechnické stavebnice (teorie a výsledky výzkumu). Zábřeh: Vydáno vlastním nákladem, 2005. MALINA, V. Poznáváme elektroniku I. České Budějovice: Kopp, 1995. ISBN 80-85828-25-1. MALINA, V. Poznáváme elektroniku II. České Budějovice: Kopp, 1995. ISBN 80-85828-55-3. MALINA, V. Poznáváme elektroniku III. České Budějovice: Kopp, 1997. ISBN 80-85828-87-1. MUSIL, V A KOL. Elektronické součástky. Brno: VUT, 1996. ISBN 80-214-0821-9. PECINA, P., PECINA, J. Elektronika (technická praktika z elektroniky). Brno:MU. 2007. ISBN 978-80-210-4279-7. TKOTZ, K A KOL. Příručka pro elektrotechnika. Praha: Sobotáles, 2002. ISBN 80-86706-00-1. VANÍČEK, F. Elektronické součástky: Praha: ČVUT, 1999. ISBN 80-01-01897-0.
