Vedenie prúdu v rôznych prostrediach

Vo vákuu elektrickému prúdu = pohybu nabitých častíc nič nekladie prekážku. Napríklad slnečný vietor vo vesmíre. Jedinou dodnes používanou súčiastkou s vákuom je CRT obrazovka.

V zriedených plynoch vzniká elektrický prúd při napätí niekoľko sto voltov medzi elektródami. Príkladom sú neónové trubice = žiarivky, alebo polárna žiara.

V pynoch pri normálnom tlaku vzniká prúd při vysokej intenzite poľa, tisíce až milióny voltov na meter. V praxi je bežný výboj, napríklad iskra sviečky motora alebo blesk v prírode.

V izolantoch prúd netečie a prieraz vzniká až pri vysokom napätí.

Polovodiče sú látky, ktorých vodivosť má hodnotu medzi kovmi a izolantmi. Čisté polovodiče sú kremík Si a germánium Ge. V polovodičoch sa uvoľňujú elektróny čím vznikne voľný elektrón a diera, čo je miesto s kladným náboj na mieste odkiaľ sa uvoľnil elektrón. Voľné elektróny a diery neustále vznikajú a zanikajú rekombináciou – zlúčením voľného elektrónu a diery. So zvyšovaním teploty vodivosť polovodiča rastie, pretože narastá počet voľných elektrónov a dier. Vodivosť polovodiča sa dá zvýšiť prímesovými prvkami, donormi – uvoľňujú elektróny, pretože majú viac jako 4 valenčné elektróny a akceptormi – vytvárajú diery, pretože majú menej jako 4 valenčných elektrónov. Takto vznikajú polovodiče typu N s donormi a polovodiče typu P s akceptormi.

Štruktúra polovodiča typu N a P:

Polovodičové súčiastky

DIÓDA

Polovodičová dióda vzniká spojením dvoch polovodičov – typu N a typu P. Na mieste spojenia vznikne PN prechod. Pri pripojení napätia v záverneom smere sa prechod zväčšuje, dióda nevedie prúd. Při zapojení napätia v priepustnom smere prechod mizne a dióda vedie prúd. Viď obrázok. Voltampérová (VA) charakteristika znázorňuje závislosť napätia a prúdu na dióde. Při určitom výkone v priepustnom smere dochádza k tepelnému poškodeniu diódy. Pri určitom napätí v závernom smere (tisícky voltov) dochádza k otvoreniu a zničeniu diódy. Medzné hodnoty UBR, IFmax a UFmax sú vyznačené na obrázku.

Princíp činnosti: a) dióda bez napätia, b) dióda v závernom smere, c) dióda v prietustnom smere.

Voltampérová (VA) charakteristika: U_BR - prierazné napätie, v závernom smere, U_Fmax -> I_Fmax je dané maximálnym príkonom, teplom ktoré môže vyžiariť bez poškodenia.

Druhy diód:

• Detekčná dióda – rýchla, malé záverené napätie, používa sa v demodulátoroch
• Spínacia dióda – výkové použitie
• Zenerova stabilizačná dióda – využíva nedeštruktívny prieraz v závernom smere, používa sa v stabilizátoroch napätia.
• Varikap = kapacitná dióda –kapacita prechodu je riadená napätím, využíva sa na ladenie vysokofrekvenčných oscilátorov pomocou napätia (kanálový volič)
• LED (light emited diode) – svetlo emitujúce diódy – široké spektrum (13 nm)
• LD (laser diode) – laserová dióda – úzke spektrum (1 nm)

Príklad použitia spínacích diód: a) odrušenie komutátorových elektromotorv, b) usmerňovací mostík, c) ochrana tranzistora s indukčnou záťažou

Možnosti výroby PN prechodu:

• bodový – privarenie kovového drôtu ku kryštálu
• zliatinový – na monokrištál N sa položí legujúci materiál P, zahreje sa, vznikne zliatinový prechod
• difúzny – vzniká difúziou „P legovaním“ do monokryštálu N z plynnej fázy (cca 1μm/hod)
• fotolitografický – možnosti: 1.) planárny prechod PN = selektívna difúzia s oxidovaným maskovaním; 2.) prechod PN v epitaxnej vrstve = a) epitaxný rast, alebo b) selektívna difúzia; 3.) odleptaný diferenciálny prechod → malá plocha prechodu

BIPOLÁRNY TRANZISTOR

Tranzistor (angl. Transistor) – transfer rezistor. Obsahuje 3 elektródy: báza B, koletor C a emitor E.

U bipolárneho tranzistora sa na vodivosti sa podielajú elektróny aj diery, je tvorený dvoma prechodmi na jednom monokryštále, emitorový prechod sa obyvkle polarizuje v priepustnom a kolektorový v závernom smere

Štruktúra NPN a PNP tranzistora:

Princíp činnosti tranzistora:

Malým prúdom báze ovládame oveľa väčší prúd kolektoru

Zapojenie tranzistorov:

• so spoločným emitorom SE
• so spoločnoým kolektorom SC
• so spoločnou bázou SB

Druhy tranzistorov:

• univerzálne – zosilovacie stupne, Pc < 0,5 W, Uce < 50 V, Ic < 0,5 A
• výkonové: Pc < stovky W, Uc < 150 V, Ic < desiatky A
• vysokofrekvenčné
• spínacie – optimalizované na rýchle zmeny

Značenie tranzistorov. Napríklad KC149.

Prvé písmeno

• A (G) – germániový tranzistor
  
• B (K) – kremíkový tranzistor
  

Duhé písmeno

• C – nízkofrekvenčné tranzistory
• D – nízkofrekvenčné výkonové tranzistory
• F – vysokofrekvenčné tranzistory
• L – vysokofrekvenčné výkonové tranzistory
• S – spínacie tranzistory
• U – spínacie výkonové tranzistory

Tratie písmeno priamo označuje technické parametre tranzistora.

Unipolárny tranzistor

Prúd vedú majoritné nositele náboja – voľné eletróny alebo diery.

Typy:

• FET (Field Effect Tranzistor) – využíva objemové javy v kryštalickom polovodiči
• JFET (Junction FET). Štruktúra:

Činnosť tranzistora JFET: šírka ochudobnenej oblastia a tým aj N-kanálu sa mení na základe potenciálu = napätia na G oproti S.

• MOS FET (Metal Oxide Silicon (Semiconductor) = MIS (Metal Isulatro Semiconductor) – vodivý kanál

Tepelný senzor

Súčiastky s viacerými prechodmi

• Dvojbázová dióda – vývody emitor, báza1, báza2.
• Diak
• Tyristor – Má tri elektródy, anódu A, katódu K a riadiacu elektródu G. Prepúšťa prúd iba v jednom smere ak je otvorený. Tyristor sa otvorí privedením malého kladného napätia/prúdu na riadiacu elektródu G. Po odpojení napätia na G ostáva tyristor stále otvorený, dokiaľ nie je vypnuté napätie medzi A a K. Tyristor sa využíva v obvode striedavého prúdu, na fázové (oneskorené) spínanie spotrebičov. Vypína sa vždy při prechode striedavého napätia/prúdu nulou.
• Triak – je to obojmerný tyristor. Má tri elektródy, anódy A1 a A2 a riadiacu elektródu G. Prepúšťa prúd v oboch smeroch. Otvorí sa privedením napätia/prúdu akejkoľvek polarity na G. Uzatvorí sa prechodom nulou při striedavom napätí/prúde medzi A1 a A2. Využitie podobné ako tyristor, ale v obvode stačí jeden.
• Optoväzobné prvky – obsahujú vysielač svetla, napríklad LED a spínací prvok citlivý na svetlo. Ovládacia časť (s LED) a ovládaná časť(prvok citlivý na svetlo) sú od seba galvanicky oddelené.
• Transil, trisil

Osvetľovacie zariadenia

• Žiarovky obsahujú volfrámové vlákno. Vyššiu účinnosť majú halogénové žiarovky, ktoré obsahujú halogénový prvok ktorý sa vyparuje a ochladzuje vlákno, ktoré pracuje na vyššej teplote.
• Tlejivky – pri tlaku pod 10 kPa vzniká při napätí niekoľko 100 V katódové žiarenie. Malý odber prúdu, mikroampére, použitie jako detektory napätia.
• Žiarivky – při nižšom tlaku vzniká silné anódové žiarenie vo forme úzkych spektrálnych čiar, dosahuje aj UVB. Preto je na vnútornom povrchu sklenej banky nanesená svietiaca látka – luminofor. Podľa chemického zloženia luminofora môže mať žiarivka požadovanú farbu a spektrum. Žiarivky sa používajú na osvetľovanie priestorov alebo na podsvecovanie LCD televízorov.
• Výbojky – pri vysokom tlaku nastáva výboj při ionizácii plynu. Robí sa to obvykle odparením kovov, preto chvíľu trvá kým sa výbojka naplno rozsvieti. Výboj prebieha v ich parách, plyn kovu svieti. Používa sa sodík (biele svetlo) a ortuť (oranžové svetlo).
• LED žiarovky – množstvo LED diód uzatvorené v priesvitnej banke.

Výhody osvetľovacích zariadení: 1. žiarovka – spojité spektrum = príjemné svetlo, 2. žiarivka – 4 x menšia spotreba jako žiarovka, 3. výbojka – veľký výkon – osvetlenie hál a štadiónov, 4. LED žiarovka – 10 x nižšia spotreba jako žiarovka, životnosť 7000 hodín, možno často zapínať.

Nevýhody osvetľovacích zariadení: 1. žiarovka – veľká spotreba, životnosť stovky hodín, 2. žiarivka – bliká = stroboskopický efekt nebezpečný vo výrobnývh halách, chudobné čiarové spektrum, 3. výbojka – treba čakať pár minút kým sa rozsvieti, 4. LED žiarovka – lacnejšie blikajú, vysoká cena.

Zobrazovacie zariadenia

• CRT – vákuová obrazovka, obsahuje elektrónové delo, vychyľovacie cievky, masku a tienidlo = zobrazovaciu plochu s farebnými luminoformi. Elektrónový lúč je vychyľovaný cievkami a po riadkoch vykresľuje obraz na tienidle. Obraz je rozložený na body.
• Plazmová – obsahuje sieťkomôrok v ktorých vzniká výboj, ktorý rozsvecuje farebné luminofory nad nimi. Spotreba elektriny na úrovni CRT, sýte farby, väčší kontrast.
• LCD – tekuté kryštály prepúšťajú polarizované svetlo ak sa na nich pripojí napätie. LCD obrazovka je podsvietená žiarivkami alebo LED diódami, obsahuje sieť farebných fitrov a LCD filtrov. Otvorením LCD filtra sa rozsvieti jeden farebný bod.
• OLED – organické LED

Otázky na opakovanie

1. Vedenie prúdu v rôznych prostrediach
1.1. Za akých podmienok môže tiecť prúd vo vákuu, v zriedenom plyne, v plyne pri normálnom tlaku a v polovodiči?
1.2. Ktoré prvky sú čisté polovodiče?
1.3. Čo sú to polovodiče typu N a typu P?
2. Polovodičové súčiastky
2.1. Nakreslite voltampérovú charakteristiku diódy.
2.2. Nakreslite diódový usmerňovací mostík zložený zo 4 spínacích diód.
2.3. Nakreslite schematickú značku NPN a PNP bipolárneho tranzistora, vyznačte elektródy.
2.4. Nakreslite zapojenie tranzistora so spoločným emitorom.
2.5. Nakreslite schematickú značku akéhokoľvek unipolárneho tranzistora, vyznačte elektródy.
2.6. Za akých podmienok sa otvoria a uzatvoria tyristor a triak?
3. Osvetľovacie zariadenia
3.1. Vysvetlite princíp činnosti žiarivky a výbojky.
3.2. Popíšte výhody a nevýhody pre: žiarovky, žiarivky, výbojky, LED žiarovky.
4. Popíšte princíp činnosti zobrazovacích zariadení
4.1. CRT
4.2. Plazmové
4.3. LCD