Rubrika: Zajímavosti o součástkách

Tranzistor je polovodičová součástka, kterou tvoří dvojice přechodů PN. Jedná se v podstatě o spojení dvou polovodičových diod v jedné součástce, většinu vlastností tranzistoru však dvojicí diod nahradit nelze. Tranzistor je základem všech dnešních integrovaných obvodů, jako např. procesorů, pamětí atd.

Tranzistorový efekt byl objeven a tranzistor vynalezen 16. prosince 1947 v Bellových laboratořích týmem ve složení William Shockley, John Bardeen a Walter Brattain. Za tento objev jim byla roku 1956 udělena Nobelova cena za fyziku, jednalo se o vemi významný objev, který vedl k faktickému vědeckotechnickému převratu v oblasti aplikované elektrotechniky, v praxi se to projevuje zejména obrovskou mírou miniaturizace jednotlivých součástek a tím i neustálým zvyšováním koncentrace polovodičových součástek vztaženou na jednotku plochy.

Každý tranzistor má (nejméně) tři elektrody, které se u bipolárních tranzistorů označují jako kolektor, báze a emitor, u unipolárních jako drain, gate a source. Podle uspořádání použitých polovodičů typu P nebo N se rozlišují dva typy bipolárních tranzistorů, NPN a PNP (prostřední písmeno odpovídá bázi). Unipolární tranzistory jsou označovány jako N-FET nebo P-FET.

Základní typy tranzistorů

Bipolární – (BJT – Bipolar Junction Transistor) je ovládán připojením elektrického proudu na bázi. Velikostí tohoto proudu se ovládá proud v obvodu procházejícího mezi emitorem a kolektorem.

Unipolární (FET)- využívají k řízení proudu mezi D a S (drain, source) elektrostatického pole, vytvořeného v obvodu řídící elektrody G (gate).

JFET – (Junction Field-Effect Transistor) Tranzistor s přechodovým hradlem.

MESFET – (MEtal Semiconductor FET) FET ve spojení se Schottkyho diodou (přechod kov-polovodič). Tento tranzistor má lepší dynamické vlastnosti.

MOSFET – (Metal Oxide Semiconductor FET) je polem řízený tranzistor, kde je vodivost kanálů mezi elektrodami Source a Drain ovládána elektrickým polem ve struktuře kov-oxid-polovodič. Tento tranzistor má možnost větší hustotu integrace ( integrované obvody ).

MISFET – (Metal Insulation Semiconductor FET) 1) S indukovným kanálem 2) S vodivým kanálem

Princip činnosti

Popis funkce bipolárního tranzistoru: uvažujme jednoduché zapojení tranzistoru NPN jako zesilovače: Přivedeme-li napětí na bázi tranzistoru, dojde k vyzdvižení elektronů polovodiče do vodivostního pásu, a tím se přechod NPN stane vodivý. Proud prochází z kolektoru do emitoru a jeho charakteristika je až na velikost stejná jako v bázi. Poměr I(ke)/I(b) se označuje jako zesílení tranzistoru.

Základní zapojení

Zapojení tranzistorového zesilovače se společným emitorem.

V elektronických obvodech může být tranzistor zapojen třemi základními způsoby. Podle elektrody, která je společná pro vstupní i výstupní signál se rozlišuje zapojení se společným emitorem (SE), společnou bází (SB) a společným kolektorem (SC). Nejčastěji se však používá zapojení se společným emitorem (SE), viz obrázek. Důležitou informaci o vlastnostech tranzistoru podávají jeho výstupní charakteristiky. Celková charakteristika se zakresluje do kartézského souřadnicového systému.

Kondenzátor (zastarale nazývaný dnes obecnějším pojmem kapacitor) je elektrotechnická součástka používaná v elektrických obvodech k dočasnému uchování elektrického náboje, a tím i k uchování potenciální elektrické energie. Základní vlastností pro hodnocení kondenzátoru je jeho elektrická kapacita, technicky je kondenzátor určen maximálním povoleným napětím, druhem dielektrika a provedením vývodů (axiální, radiální, bezvývodový).

Princip

Z fyzikálního hlediska se kondenzátorem nazývá libovolné vodivé těleso, které je zcela obklopeno jiným vodivým tělesem, přičemž obě tělesa jsou vzájemně izolována.

Pokud je na těleso v dutině přiveden náboj Q, bude se na vnitřní straně dutiny druhého vodiče indukovat náboj − Q. Vzniklé elektrostatické pole je uzavřeno v dutině mezi oběma vodivými tělesy, přičemž siločáry vycházejí z kladných nábojů na jednom vodiči a končí na záporných nábojích na druhém vodiči. Toto elektrostatické pole je nezávislé na vnějších polích. Je-li potenciál vodiče uvnitř dutiny a potenciál vnějšího vodiče, pak mezi oběma vodivými tělesy existuje napětí.

Z praktického hlediska je konstrukce kondenzátoru jakožto vodiče zcela obklopeného jiným vodičem dosti nevhodná. V praxi používané kondenzátory jsou tedy konstruovány poněkud jinak. U takovýchto kondenzátorů je podmínka, že jeden vodič je zcela uzavřen uvnitř druhého splněna pouze přibližně, což má za následek, že tyto kondenzátory nejsou zcela nezávislé na vnějších polích a v místech, kde siločáry opouští prostor mezi elektrodami dochází k tzv. okrajovým efektům (jevům).

Kapacita deskového kondenzátoru

V ideálním případě sestává deskový kondenzátor ze dvou rovnoběžných vodivých rovin (tedy nekonečných ploch), jejichž vzájemná vzdálenost je d.

U = Ed 

V reálném případě nemohou být desky kondenzátoru nekonečné roviny, ale plochy s konečným obsahem S. Pokud je vzdálenost d mezi deskami malá ve srovnání s rozměry desek, je možné elektrostatické pole, které se mezi nimi vytváří považovat za homogenní, což umožňuje použít stejné vztahy jako by šlo o dvojici nekonečných rovin.

Druhy kondenzátorů

Leydenská láhev je historicky první kondenzátor. Jedná se o skleněnou nádobu, na jejíž vnější i vnitřní straně jsou přilepeny (příp. napařeny) kovové vrstvy. Používala se k uchování náboje vzniklého ve Whimhurstově indukční elektrice.

Podle tvaru lze rozlišit kondenzátory deskové, válcové, kulové, svitkové (svinutý dlouhý vodivý pás oddělený izolantem).

Podle použitého dielektrika se kondenzátory dělí:

• otočný vzduchový
• papírový (často papír napuštěný voskem) (svitkové)
• elektrolytický (dielektrikem je tenká oxidační vrstva na jedné z elektrod, druhou elektrodu tvoří samotný elektrolyt)
• keramický
• kapacitní dioda – varikap
• Slídový
• Plastový

Otočný vzduchový

Otočný kondenzátor umožňuje zasouváním desek mezi sebe měnit účinnou plochu desek, a tím i měnit kapacitu kondenzátoru. Desky mohou mít tvar polokruhu (kapacita pak závisí lineárně na natočení) nebo ledvinovitý (obvykle logaritmický průběh změny kapacity). Pro podobné účely se dnes využívá varikap, kde je kapacita měněna vstupním napětím.

Papírový (svitkový)

Dielektrikum tvoří kondenzátorový papír. (jeho Ε_r mívá hodnotu 4-10) Elektrody jsou tvořeny hliníkovou folií s vývody. Kondenzátorový papír včetně elektrod je svinut do válce. Někdy je hliník nahrazen pokovením fólie (z obou stran), takový kondenzátor je označován jako metalizovaný (MP). Toto provedení je odolné proti průrazu napěťovými špičkami a dochází k obnovení funkčnosti po průrazu vypálením poškozeného místa na fólii.

Elektrolytický

Je podstatně odlišný od jiných typů kondenzátorů. Katoda je tvořena vodivým elektrolytem, který může být jak tekutý, polosuchý nebo pevný. Anoda je tvořena čistou hliníkovou fólií, na které je vrstvička Al₂O₃ (oxid hlinitý), tato vrstvička má funkci dielektrika. Pokud kondenzátor není dlouhou dobu pod napětím, jeho kapacita se zmenší. Do jisté úrovně se dá zase obnovit připojením stejnosměrného proudu. Elektrody mají velký povrch, který je tvořen nepravidelně naleptanou strukturou povrchu hliníku.

Jeho výhodou je vysoká měrná kapacita, nevýhodou naopak to, že nesmí být přepólován a obvykle snese oproti jiným typům jen velmi nízké napětí.

Ukázka poněkud většího olejového kondenzátoru 100 μF na napětí 15000 V. Kondenzátor má hmotnost 60 kg a olejovou náplň o objemu 13 l

Tantalový

Je podobný elektrolytickému s hliníkovou fólií, ale má lepší frekvenční a teplotní charakteristiky.

Nabíjení kondenzátoru

Při zapojení kondenzátoru do obvodu se zdrojem stejnosměrného napětí se na deskách kondenzátoru začne hromadit elektrický náboj – kondenzátor se nabíjí. Nabíjení probíhá, dokud se nevyrovná elektrický potenciál na každé z desek s potenciálem příslušného pólu zdroje. Po nabití je mezi deskami kondenzátoru stejné elektrické napětí jako mezi svorkami zdroje a obvodem neprochází elektrický proud.

Vybíjení kondenzátoru

Jestliže se desky kondenzátoru vodivě propojí, elektrický náboj z desek se odvede, kondenzátor se vybije. Tento přesun elektrického náboje způsobí v obvodu elektrický proud.

Vybíjecí proud může v případě malého odporu vybíjecího obvodu dosáhnout obrovských špičkových hodnot. To má většinou nejen škodlivé účinky na vybíjecí obvod a kondenzátor samotný, ale vede to i k částečnému vyzáření jeho energie ve formě EMI rušení.

Kondenzátor v obvodu střídavého proudu

V obvodu střídavého proudu se kondenzátor opakovaně nabíjí a vybíjí, což má za následek předbíhání elektrického proudu před napětím (fázový posuv) a vznik kapacitance, tj. zdánlivého odporu proti průchodu střídavého proudu.

Kapacita kondenzátoru spolu s indukčností cívky jsou předpokladem vzniku elektromagnetického kmitání – periodické změny elektrického pole na magnetické pole a opačně. Změnou kapacity lze dosáhnout změny frekvence elektromagnetických kmitů.

Hodnoty kapacity

Hodnota kapacity spolu s hodnotou maximálního napětí jsou základními hodnotami kondenzátoru. U hodnot kapacity se vychází z řady E6, to je 1.0, 1.5, 2.2, 3.3, 4.7 a 6.8, popis na součástce je třímístný, např. 473 znamená 47000pF. Toto značení se používá u kondenzátorů keramických a svitkových. Pro keramické kondenzátory je praktický rozsah hodnot od 1pF do 1µF. Pro elektrolytické kondenzátory od 0,47µF do 1F.

Využití kondenzátoru

Fotografický blesk hromaděná lektrická energie v kondenzátoru se v krátkém časovém okamžiku vybije a způsobí silný světelný záblesk.

Stabilizační prvek v elektrických obvodech – paralelním zapojením do elektrického obvodu lze dosáhnout vyhlazení napěťových špiček, a tím rovnoměrnějšího průběhu elektrického proudu.

Odstranění stejnosměrné složky elektrického proudu – větví s kondenzátorem nemůže projít stejnosměrný elektrický proud, ale střídavý proud ano.

Odrušovací kondenzátor je nedílnou součástí všech elektrospotřebičů. Používá se samostatně nebo v kombinaci s tlumivkami. Omezuje rušení vzniklé spínáním nebo rozpojováním elektrického obvodu pod napětím.

Ladící součástka v přijímači – změnou kapacity v oscilačním obvodu přijímače se vlastní frekvence obvodu vyrovná vnější frekvenci a dojde k rezonanci, tj. k zesílení přijímaného signálu.

Počítačová paměť – paměť složená z velkého množství miniaturních kondenzátorů je schopna uchovat informaci ve formě 0 a 1 (0 = není náboj, 1 = je náboj).

Defibrilátor – přístroj používaný v lékařství k provádění elektrických šoků při zástavě srdce, kdy velké množství náboje projde během krátké doby přes srdeční sval a může tak obnovit srdeční činnost.

Časovače – většina generátorů střídavého signálu využívá kondenzátory jako součástky, jejichž střídavé nabíjení a vybíjení určuje periodu kmitů.

Je navrženo sloučení tohoto článku nebo jeho části s článkem kapacitní dioda.

Varikap neboli kapacitní dioda je speciální polovodičová dioda, která slouží jako napětím řízený kondenzátor.

Varikap je založen na tom, že šířka přechodu NP v závěrném směru diody závisí na připojeném napětí. Tento efekt se objevuje u všech polovodičových diod, ale varikap je pro tento účel speciálně prizpůsoben.

Varikapy jsou užívány v laděných obvodech (například v rozhlasových a televizních přijímačích) a jiných obvodech vyžadujících proměnnou kapacitu. Ve většině aplikací vytlačily varikapy otočné kondenzátory.

Termistor je elektrotechnická součástka, jejíž elektrický odpor je závislý na teplotě.

Rozlišujeme druh NTC a PTC termistor. NTC je termistor s negativním teplotním koeficientem, což znamená, že se zahřátím součástky odpor klesá. U PTC termistoru se zahřátím odpor roste.

NTC termistor se používá také jako teplotní čidlo.

Speciální NTC termistory byly součástí žhavicích obvodů elektronkových zařízení. Sloužily jako ochrana proti přepálení vláken elektronek, zapojených v sérii. NTC termistor má opačnou teplotní charakteristiku než vlákna (jeho odpor s teplotou klesá), a tak zpočátku tlumil protékající proud. Tím umožnil postupné prohřátí všech vláken. Pokud by nebyl zařazen, hrozilo, že jedno z vláken se zahřeje dříve, vzroste tím proti ostatním vláknům jeho odpor, a takto vzniklý velký úbytek napětí způsobí přepálení vlákna.

PTC termistor lze využít například k omezení proudu obvodem, kdy průchod většího množství proudu vyvolá ohřátí součástky, které má díky tomu vyšší odpor.

Varistor je nelineární polovodičová součástka, jejíž odpor závisí na napětí. Je zhotovena slisováním a spékáním zrníček karbidu křemíku (SiC) při teplotě kolem 1200°C, nebo spékáním oxidů některých kovů – například zinku. První uvedené se označují jako karbibové varistory, druhé jako MOV (Metal Oxid Varistor). Název součástky je odvozen z anglického variable resistor. Varistor je někdy označován i jako VDR (Voltage Dependent Resistor – rezistor závislý na napětí).

Při zvětšování napětí mezi vývody varistoru dochází nejprve k pomalému a skoro lineárnímu vzrůstu proudu. Odpor součástky je velký a téměř konstantní. Po dosažení napětí Un prudce poklesne vnitřní odpor. Napětí na varistoru se dále zvětšuje málo, dochází však k velkému nárustu proudu.

Varistory se užívají ke stabilizaci stejnosměrných napětí a jako přepěťová ochrana. Lze je použít k ochraně kontaktů relé před jiskřením. V oblasti zvukových kmitočtů není varistor frekvenčně závislý, a protože elektrický odpor varistorů závisí pouze na přiloženém napětí, nedochází v reakci na napěťové výkyvy k žádnému zpoždění. Varistory poměrně dobře snášejí impulzové zatížení a propouštějí krátkodobě i velké proudy bez poškození.

Externí odkazy

Varistor (napěťově závislý odpor): http://www.z-moravec.net/ext_el/rez/varistor.php

Encyklopedie elektromagnetické kompatibility, Varistor – VDR: http://www.urel.feec.vutbr.cz/EncyklopedieEMC/index.php?ID=74

Světlo-vyzařující dioda (LED, Elektroluminiscenční dioda) je elektronická polovodičová součástka obsahující přechod P-N. Prochází-li přechodem elektrický proud v propustném směru, přechod vyzařuje (emituje) nekoherentní světlo s úzkým spektrem. Může emitovat i jiné druhy záření. Tento jev je způsoben elektroluminiscencí.

Pásmo spektra záření diody je závislé na chemickém složení použitého polovodiče. LED jsou vyráběny s pásmy vyzařování od skoro ultrafialových, přes různé barvy viditelného spektra, až po infračervené pásmo. Poměrně dlouho trval vývoj modré LED, na nějž čekal jeden z projektů ploché barevné televizní obrazovky. Z principu funkce LED vyplývá, že nelze přímo emitovat bílé světlo – starší bíle zářící diody většinou obsahují trojici čipů vybíraných tak, aby bylo aditivním míšením v rozptylném materiálu vrchlíku dosaženo vjemu bílého světla.

Protože není možné přímo emitovat bílé světlo, pravé bílé LED využívají luminoforu. Některé bílé LED emitují modré světlo, část tohoto světla je přímo na čipu luminoforem transformována na žluté světlo a díky míseni těchto barev vzniká bílá. Jiné typy bílých LED emitují ultrafialové záření, to je přímo na čipu luminoforem transformováno na bílé světlo.

Se zvětšující se frekvencí emitovaného světla roste napětí, při kterém se proud v propustném směru začíná zvětšovat. U křemíkové (Si) diody je toto napětí asi 0,6 V, u zelené LED z GaP 1,7 V a u modré z SiC již 2,5 V.

Základní monokrystaly diod bývají překryty kulovými vrchlíky z epoxidové pryskyřice nebo akrylového polyesteru. Materiály, z nichž se LED vyrábějí, totiž mají poměrně vysoký index lomu a velká část vyzařovaného světla by se odrážela totálním odrazem zpět na rovinném rozhraní se vzduchem.

Oproti jiným elektrickým zdrojům světla (žárovka, výbojka, doutnavka) mají LED tu výhodu, že pracují s poměrně malými hodnotami proudu a napětí. Z toho vyplývá jejich užití v displejích (ve tvaru cifer a písmen). Kombinací LED základních barev (červená, zelená, modrá) je možno získat i barevné obrazovky.

Konstrukčně představují LED součástku, v níž je kontaktovaný čip (nebo kombinace čipů) zastříknut materiálem s požadovanými optickými vlastnostmi (LED se vyrábějí v bodovém či rozptylném provedení, s různým vyzařovacím úhlem). Kontakty mohou být v provedení pro povrchovou montáž (SMD) nebo ve tvaru ohebných či poddajných přívodů. Sestavy více LED, pouzdřené společně mohou mít samostatně vyveden každý čip, společnou anodu či katodu nebo jiný systém kontaktování dle zamýšleného užití (například dvojbarevné diody).

Nick Holonyak Jr. (narozen 1928) na University of Illinois at Urbana-Champaign vyvinul první praktickou LED s viditelným spektrem v roce 1962.

Na rozdíl od žárovek, u kterých nezáleží na polaritě napájecího napětí a jsou schopny tedy pracovat na střídavé napětí, LED zapojené nesprávným způsobem nepracují. Když je napětí na P-N přechodu diody zapojené správně, říkáme že je zapojena v propustném směru a v tomto stavu skrz ní prochází značný proud. Když je zapojené opačně než má být, říkáme že je zapojená v závěrném směru a neprochází skrz ní téměř žádný proud a ani nevyzařuje žádné světlo. Některé LED jsou schopny pracovat se střídavým napětím. V takovém případě jsou ale rozsvíceny je polovinu periody, ve které jsou polarizovány propustně. Periodicky se tak rozsvěcují a zhasínají s frekvencí střídavého zdroje.

I když jediným 100 % přesným způsobem jak zjistit polaritu vývodu LED je podívat se do jejího katalogového listu, tak jsou zde některé obvykle platné způsoby pro její označení:

znaménko:	+	−
polarita:	kladná	záporná
výstup:	anoda (A)	katoda (K)
vývod:	dlouhý	krátký
pozdro z vnějšku:	zakulacené	ploché
uvnitř pouzdra:	menší	větší
barevně:	červená	černá

Protože napěťová charakteristika LED je vzhledem k proudové charakteristice prakticky stejná jako u jakékoliv jiné diody(proud vzhledem k napětí roste přibližně exponenciálně), malá změna napětí vyvolá obrovskou změnu proudu. Jsou zde určité technologické rozdíly, které mohou způsobit, že ze dvou diod stejného typu může |napěťový zdroj jednu rozsvítit a druhou zničit (u jedné budou maximální hodnoty proudu na hraně použitelnosti a u druhé budou překročeny.

Díky tomu, že u diody napětí je logaritmicky vztaženo k proudu, tak se dá v rozsahu, ve kterém LED pracuje(svítí) považovat za konstantní. Tedy se dá říct, že je spotřebovaná energie prakticky jen funkcí proudu. Pokud chceme zajistit stály odběr energie s ohledem na různé charakteristiky napájení a LED, tak bychom měli použít pro napájení diod proudový zdroj. Pokud nevyžadujeme vysokou účinnost zapojení (například u různých indikátorů), můžeme se přiblížit proudovému zdroji tím, že připojíme LED v sérii s rezistorem omezujícím protékající proud ke zdroji stálého napětí(změny napětí vyvolají menší změny proudu). Tento způsob je běžně používán.

Většina LED má taky nízké průrazné napětí, takže mohou být zničeny přiložením závěrného napětí i o výši jen několika voltů. Protože někteří výrobci nedodržují standarty označení uvedené výše, tak by mělo být v katalogovém listu vždy pokud možno vyhledáno, jak je to u daného konkrétního typu diody. Nebo můžeme polaritu zjistit zkouškou, kdy diodu zkusíme připojit ke zdroji nízkého napětí v sérii s ochranným rezistorem.

LED už mohou být zakoupeny se zabudovanými rezistory. Můžeme tak ušetřit místo na desce plošných spojů. To může být zvlášť užitečné při konstrukci prototypů, nebo při změnách zamýšleného zapojení(když potřebujeme udělat změny už na hotové desce). Nicméně je to i velká nevýhoda, protože tím, že máme diodu s rezistorem s přednastavenou hodnotou) jsme značně omezeni v regulaci intenzity vyzařovaného světla. Abychom zvýšili účinnost(nebo umožnily řízení intenzity bez složitého DA převodníku), můžeme využít pulzního napájení – vystavíme LED vyššímu proudu než při trvalém provozu, ale po velmi krátkou dobu. To bude mít sice za následek problikávání diod ale, dokud budou blikat z vyšší frekvencí, než je rozpoznávací schopnost oka, tak budou vypadat, že svítí nepřetržitě.

Pokud máme dostatečně velké napětí, můžeme propojit několik LED do série pouze s jedním omezujícím rezistorem. Paralelní zapojení je obvykle problém. LED musí být stejného typu kvůli tomu, aby měli co nejpodobnější propustné napětí. I potom rozdíly ve výrobním procesu mohou způsobit, že zapojení nebude fungovat dle představ.

Dvoubarevné LED zařízení obsahují dvě paralelně zapojené, opačně polarizované, diody, každá jiné barvy(typicky červená a zelená), umožňující zobrazit dvě barvy, nebo rozsah škály barev, změnou poměru dob po kterou jsou jednotlivé diody rozsvíceny. Jiné zas obsahují sadu diod rozdílných barev uspořádaných do skupin zapojených se společnou anodou nebo katodou. Zde můžeme dosáhnout širší škály různých barev bez toho, že bychom museli měnit polaritu napájení.

LED obvykle stále svítí, když skrze ně prochází proud, jsou ale dostupné i blikající LED.Ty mají stejný technologický základ, navíc obsahují klopný obvod, který způsobí, že LED bliká(typicky s periodou jedna sekunda). Nejběžněji jsou k dostání v červené, žluté nebo zelené barvě. Většina jich svítí pouze jednou barvou, ale jsou k dostání i vícebarevná.

Obyčejně, pro LED podle nového standartu v 3 mm nebo 5 mm pouzdrech, jsou naměřené následující hodnoty propustného napětí. To závisí na chemickém složení, teplotě a protékajícím proudu (hodnoty zde uvedené přibližně pro hodnotu 20 mA)

Barva	Úbytek napětí
Infračervená	1.6 V
Červená	1.8 V až 2.1 V
Oranžová	2.2 V
Žlutá	2.4 V
Zelená	2.6 V
Modrá	3.0 V to 3.5 V
Bílá	3.0 V to 3.5 V
Ultrafialová	3.5 V