Aktívne elektrotechnické súčiastky
aktívne súčiastky – sú teda zdroje elektrickej energie alebo súčiastky, ktoré sa za určitých okolností
správajú v obvode ako zdroje;
rozdelenie AES:
a.) diskrétne súčiastky (foto diódy,
tranzistory)
b.) zosilňovače (operačné zosilňovače, oscilátory)
♦
princíp vlastnej vodivosti – vznikne z čistého bezprímesového kremíka Ge, Si
vlastná vodivosť – ak
valenčný elektrón niektorého atómu polovodiča získa vonkajším vplyvom dostatočnú energiu na dosiahnutie vodivostného pásma, opustí svoje
miesto vo valenčnej sfére atómu a po pripojení vonkajšieho napätia je polovodič schopný viesť elektrický prúd. Atóm, ktorý stratil jeden
z valenčných elektrónov, sa zmenil na kladne nabitý ión a jeho elektrické pole pôsobí príťažlivou silou na elektróny v blízkom okolí.
Ak sa mu podarí vytrhnúť z niektorého susedného atómu jeden z valenčných elektrónov, jeho záporným nábojom eliminuje svoj vlastný
kladný náboj, ale za cenu toho, že teraz je ionizovaný susedný atóm. Ak si tento ión, a po ňom aj ďalšie vzniknuté ióny obnovia svoju
elektrickú rovnováhu rovnakým spôsobom, znamená to postupné premiestňovanie medzery po chýbajúcom elektróne. Tento nevyrovnaný kladný
náboj, ktorý zodpovedá chýbajúcemu elektrónu, sa nazýva diera. Diera je voľným kladným nosičom elektrického prúdu, jej náboj je + 1,602
. 10 C. „Tok“ dier vytvára kladný elektrický prúd. Diery sa pohybujú opačným smerom ako elektróny. Smer ich pohybu súhlasí
s technickým smerom elektrického prúdu.
Diera existuje dovtedy, kým sa nestretne s nejakým voľným elektrónom. Spojenie
voľného elektrónu a diery a obnovenie elektricky neutrálneho stavu v danom mieste kryštálovej mriežky sa nazýva rekombinácia. Celkom
čistý kremík a germánium, ktoré neobsahujú žiadne elektricky aktívne atómy iných prvkov, sa nazývajú vlastné polovodiče. Vedenie
elektrického prúdu vo vlastných polovodičoch sa uskutočňuje elektrónmi a dierami, pričom počet elektrónov je rovnaký ako počet dier.
Vodivosť čistého polovodiča nazývane vlastnou vodivosťou alebo vodivosťou typu I.
♦ princíp nevlastnej vodivosti –
vznikne, keď dotujeme čisté Ge, Si prímesami – poznáme trojmocné a päťmocné prvky: päťmocné prvky nazývame donory a sú to:
arzén, fosfor, antimon; trojmocné prvky nazývame akuptory a sú to: gálium, bór, hliník, indium
nevlastná vodivosť –
elektrické vlastnosti polovodiča môžeme upravovať veľmi rozmanitým spôsobom pomocou elektricky aktívnych prímesí. Na tento účel
sú najvhodnejšie niektoré prvky, ktoré susedia s kremíkom v periodickej sústave prvkov a majú tri alebo päť valenčných elektrónov
(trojmocné alebo päťmocné prvky). Pridávanie takej prímesi do čistého polovodiča nazývane dotáciou.
Berme do úvahy najprv
prímes prvku, ktorý má vo valenčnej sfére päť elektrónov (napr. arzén, fosfor, antimón). Ak je polovodič dotovaný napr. arzénom, nahradí
atóm arzénu v kryštálovej mriežke polovodiča atóm polovodiča. Štyri z piatich valenčných elektrónov arzénu sa viažu valenčnými
väzbami so štyrmi susednými atómami polovodiča. Piaty (nadbytočný) valenčný elektrón arzénu nie je viazaný žiadnym susedným atómom. Na
jeho odtrhnutie od materského atómu stačí podstatne menšie energia, ako je energetická medzera základného polovodiča. Preto už pri
normálnych teplotách okolo 300 K sa nachádzajú nadbytočné elektróny takmer všetkých atómov prímesi vo vodivostnom pásme. Popri tom trvalo
vznikajú a rekombináciou opäť zanikajú diery a elektróny ako vo vlastnom polovodiči. Rozdiel oproti vlastnému polovodiču je v tom, že
polovodič, dotovaný päťmocným prvkom má oveľa viac elektrónov ako dier. Elektróny sa nazývajú väčšinovými (majoritnými) nosičmi
prúdu, diery menšinovými (minoritnými) nosičmi prúdu. Dotovaný polovodič sa nazýva nevlastný polovodič a jeho vodivosť nevlastnou
vodivosťou. V tomto prípade je vodivosť prevažne elektrónová; elektrón nesie negatívny náboj – odtiaľ označenie polovodič a nevlastná
vodivosť N Prímes z piatej skupiny prvkov sa nazýva donor.
Ak je polovodič dotovaný trojmocným prvkom (napr. gáliom, bórom, hliníkom,
indiom), stačia jeho tri valenčné elektróny na vytvorenie valenčných väzieb len s tromi susednými atómami polovodiča. Elektrón na
uskutočnenie štvrtej väzby chýba. Preto vo valenčnej sfére jedného zo štyroch atómov polovodiča, ktoré susedia atómom prímesi, chýba
jeden elektrón do plného počtu. V materiáli dotovanom trojmocným prvkom vzniká nadbytok dier. Nevlastná vodivosť tohto typu polovodiča je
prevažne dierová – pozitívna – vodivosť P. Diery sú väčšinovými a elektróny menšinovými nosičmi. Trojmocná prímes sa nazýva
akceptor.
Koncentrácia prímesí sa udáva počtom atómov prímesí v 1 cm polovodiča, napr. 10 cm . Koncentrácia čistého
polovodiča, napr. kremíka je približne 10 cm . Pri porovnaní obidvoch koncentrácií vidíme, že v tomto prípade jeden atóm prímesi
pripadá na 10 atómov kremíka. Pri normálnej teplote má len malá časť elektrónov polovodiča dostatok energie na to, aby prenikla do
vodivostného pásma. Pri čistom kremíku je to len asi 10 elektrónov z celkového počtu elektrónov 10 cm . Preto je pri normálnej teplote
vlastná vodivosť polovodiča taká malá. Ak je v dotovanom polovodiči koncentrácia prímesi 10 cm , znamená to, že v 1 cm je navyše 10
voľných elektrónov, a teda nevlastná vodivosť je 10 - krát väčšia oproti vlastnej vodivosti.
typ
vodivosti:
a.) „P“ – pozitívna, kladná, dierová +
b.) „N“ – negatívna, záporná,
elektrónová
diódy:
♦ zenerova dióda – stabilizačná;
stabilizuje napätie, aby nekolísalo; kremíková plošná dióda; používa sa v závernom smere; má veľmi ostrý priechod PN
použitie: stabilizátory napätia, obmedzovače, spínače, ochrana proti prepätiu, zdroj referenčného napätia atď.
♦ lavínová dióda – kremíková plošná dióda
použitie: stabilizátory napätia,
obmedzovače, spínače, ochrana proti prepätiu, zdroj referenčného napätia atď.
♦ tunelová dióda – plošná dióda;
nestabilná; silne dotovaná dióda s veľmi ostrým priechodom PN; v spätnom smere sa správa ako lineárny rezistor s malým odporom
(prepúšťa prúd); na výrobu sa používa germánium alebo gáliumarzenid
použitie: v oscilátoroch, ako rýchly
spínač
♦ kapacitná dióda –– plošná kremíková dióda;
najdôležitejšie vlastnosti kapacitnej
diódy:
- dostatočne veľká kapacita
- čo najväčší ovládaný rozsah kapacít
- čo najmenší prúd v spätnom
smere
- čo najmenšia hodnota sériového odporu
použitie: v rôznych obvodoch práve kvôli kapacite jej
priechodu PN
a.) varaktor – správa sa ako nelineárna reaktancia; používa sa ako násobič
frekvencie na vysokých frekvenciách; voláme ju aj akumulačná dióda
b.) varikap – správa sa ako lineárna reaktancia;
najčastejšie sa používa ako ladiaca kapacita v rezonančných obovdoch
♦ schottkyho dióda – veľmi rýchly spínač
s priechodom polovodič – kov (gálium, arzén – zlato; kremík – hliník)
použitie: usmerňovanie prúdov
veľmi vysokých frekvencií a ako veľmi rýchly spínač
♦ dióda PIN – kremíková;
vyrábaná planárnou technológiou; medzi oblasti polovodiča s nevlastnou vodivosťou P a N je vložená vrstva s vlastnou vodivosťou
použitie: spínacia súčiastka pre vysoké frekvencie; spínanie veľkých výkonov
viacvrstvové
polovodičové spínacie súčiastky:
♦ diak – štruktúra PNP - trojvrstvová; obojstranne spínacia
súčiastka, t. j. aj v priepustnom aj v závernom smere, čiže jej spínanie nezáleží od polarity
použitie:
predpäťová ochrana, pomocný spínač na budenie triakov, pomocná súčiastka pre tyristory
♦ tyristor – kremíková;
štruktúra PNPN, NPNP – štvorvrstvová; tyristor so štruktúrou NPNP sa u nás nevzrába; tyristor otvoríme len veľkým spínacím napätím;
tyristor sa rýchlo otvorí a správa sa ako dióda; ak polarizujeme opačne neprepúšťa prúd, je v závernom smere
použitie: ovládané spínače v jednosmerných obvodoch, ovládané usmerňovače v obvodoch striedavého prúdu
♦ triak – kremíková; 5 – vrstvová spínacia súčiastka; antiparalelné zapojenie dvoch rezistorov
použitie: ako tyristor ale ako obojsmerne pracujúci spínač a usmerňovač
teplotne závislé
súčiastky:
♦ termistor – je negatívny respektíve negatívna teplotne závislá súčiastka, lebo so
zvyšujúcou teplotou odpor klesá; vyrába sa z oxidov a sírnikov kovov; typické vlastnosti: veľký záporný teplotný súčiniteľ odporu;
tyčinkové, platničkové, perličkové vyhotovenie; nesmie sa zapájať paralelne
použitie: teplotné snímače,
v meracej automatizačnej technike stabilizácia a regulácia, oneskorené spínanie, obmedzovanie prúdových nárazov
♦ pozistor
– pozitívny termistor; so zvyšovaním teploty jeho odpor stúpa; symetricky nelineárna; vlastnosti opačné ako termistor
použitie: teplotný spínač pri nízkych teplotách
fotosúčiastky:
♦ fotoodpor – vyrábajú sa zo sirníka a selenidu kademnatého; jeho odpor závisí od osvetlenia; všetky fotoodpory sú
v porovnaní s inými fotoelektrickými súčiastkami pomerne veľmi malé
použitie: meranie intenzity osvetlenia,
požiarny hlásič
♦ fotodióda – polovodičová dióda konštrukčne riešená tak, aby na jej priechod PN mohlo dopadať
svetlo; aktívna súčiastka; niektoré fotodiódy môžu pracovať v odporovom aj v hradlovom režime
použitie:
hradlové fotodiódy – svetlom ovládané zdroje jednosmerného napätia (v meračoch osvetlenia – expozimetroch, luxmetre,
v bezpečnostných zariadeniach pre stroje, na automatické ovládanie svetla)
odporové fotodiódy – zvukové budiče pre
optický záznam zvuku, snímače diernej pásky
♦ fototranzistor – bipolárny, kremíkový, planárny alebo epitaxne
planárny tranzistor konštrukčne riešený tak, aby na jeho emitorový priechod mohlo dopadať svetlo; používa sa v zapojení so spoločným
emitorom; vonkajší zdroj je zapojený medzi emitor a kolektor tak, aby kolektorový priechod bol polarizovaný v spätnom smere
tranzistory:
používajú sa na zosilnenie; na spínanie obvodov; súčasť všetkých zosilňovačov
♦
bipolárne – má dva rovnaké póly; polovodičová súčiastka, ktorá v podstate predstavuje antisériovú kombináciu dvoch priechodov
PN, ktoré sú v jednom monokryštáli usporiadané tak, že jedna z oblastí je spoločná pre obidva priechody. Táto spoločná oblasť sa
nazýva báza (B). Ďalšie dve oblasti majú opačný typ vodivosti ako báza a nazývajú sa emitor (E) a kolektor (C).
♦
unipolárne – má dva rovnaké póly a je riadený elektrickým prúdom; miesto bázy má G – hradlo spravidla kov a je riadený
elektrickým polom – elektrickým nábojom
♦ operačné zosilňovače – jednosmerné zosilňovače s veľkým
napäťovým zosilnením, veľkou vstupnou impedanciou, s malou výstupnou impedanciou. Výstupom z operačných zosilňovačov je elektrický prúd
alebo napätie. Ideálny operačný zosilňovač je charakterizovaný týmito vlastnosťami: nekonečné napäťové zosilnenie, nekonečná vstupná
impedancia, nulová výstupná impedancia, frekvenčná nezávislosť, nulovému vstupnému napätiu zodpovedá nulové výstupné napätie.
Užívateľ operačného zosilňovača nepotrebuje poznať vnútorné zapojenie ale zosilnenie v stave naprázdno, vstupný a výstupný odpor,
hodnotu napájacieho napätia. Operačné zosilňovač majú vysoké zosilnenie v stave naprázdno 1 000 – 100 000. Zápornou spätnou väzbou sa
znižuje zosilnenie. Čím silnejšia je záporná spätná väzba, tým sú vlastnosti presnejšie a stabilnejšie.
♦
oscilátory – vyrábajú harmonické kmity (sínusovka, cosínusovka); LC (cievka – kondenzátor), RC (odpor – kondenzátor) –
raidené kryštálom (najpresnejšie); používajú sa v rádiotechnike a meracej technike; blokovací oscilátor – neharmonický kmit, schopný
vyrábať krátke impulzy pílovité; časti oscilátora – rezonančný obvod, ktorý vyrába harmonické kmity, zosilňovač (zosilňovacia
časť), ktorý nedovolí aby sa tieto kmity utlmovali; používame kladnú spätnú väzbu v oscilátoroch, keď je v štvorčeku.
Zones.sk – Zóny pre každého študenta