Elektronika

. Spínač
IV. průraz – nežádoucí – zničení součástky. Dva druhy průrazů: První je zatížení vysokým napětím (nedestruktivní), druhý - prudký pokles napětí zničení součástky
10. unipolární tranzistor (činnost); rozdíl mezi bipolárním a unipolárním tranzistorem, charakteristiky
jsou založeny na principu řízení pohybu nosičů náboje elektrickým polem, přičemž vedení proudu se uskutečňuje v tzv. kanále jedním typem nosičů – většinovými elektrony nebo děrami. Užíváme pro ně zkratku FET. Vodivost tohoto tranzistoru je řízena dvojím způsobem:
změnou průřezu vodivého kanálu rozšiřováním přechodu PN nebo MS
změnou koncentrace většinových nosičů v kanále
V současné době se unipolární tranzistory rozdělují do tří základních typů
tranzistory s přechodným hradlem označované zkratkou JFET, použití – zesilovače, číslicové obvody
tranzistory s izolovaným hradlem (IGFET)
tenkovrstvé tranzistory s izolovaným hradlem (TFT), které v poslední době nacházejí uplatnění v plochých tv obrazovkách.
Protože proud v unipolárních tranzistorech je přenášen majoritními nosiči, jsou tyto prvky odolnější vůči změnám teploty i dopadajícímu ionizujícímu záření než bipolární tranzistory. Pro nepřítomnost menšinových nosičů jsou zapínací a vypínací doby un. struktur dány především parazitními kapacitami, které musí být nabity a vybity při každém sepnutí a vypnutí. Tyto kapacity jsou teplotně nezávislé – výhoda oproti bipolárním součástkám. Nesetkáváme se tedy u nich s jevy akumulace menšinových nosičů a jejich postupnou rekombinací.
Unipolární tranzistor nemá dva polovodičové přechody a při řízení činnosti vyžívá pouze nosiče náboje jednoho druhu. Proud nosičů náboje se neovládá proudem, nýbrž elektrickým polem (napětím) na vstupní elektrodě. Tzn. zcela odlišnou činnost uvnitř tranzistoru. S tím dále souvisí vstupní odpor, který u tranzistoru FET je nesrovnatelně vyšší v porovnání s bipolárními tranzistory. Tranzistor FET si můžeme představit jako polovodičový rezistor, třeba nelineární, na rozdíl od obyčejného rezistoru. Stejně jako rezistor i FET je-li zařazen do obvodu, ovlivňuje průchod proudu. Jeho vodivost řídíme změnou el. pole. Struktura FET je v porovnání s bipolárním tranzistorem značně složitější. Navíc je třeba vzít v úvahu, že unipolárních tranzistorů je více druhů, které se vzájemně liší.
Běžnější jsou tranzistory bipolární, které mají dva polovodičové přechody a tři elektrody zvané báze, kolektor, emitor. Při činnosti se pohybují proti sobe nositelé záporného náboje – elektrony a nositele kladného náboje- díry. Na vstupní elektrodu musíme přivést napětí a vyvolat vstupní proud. Na vstup tedy musíme dodat určitý výkon, i když malý.
Unipolární tranzistory pracují s nosiči pouze jednoho druhu, buď ze zápornými nebo kladnými. Vstupní proud se ovládá pouhým napětím na vstupní elektrodě. Proud jím prochází vždy, i když na vstupní elektrodě není žádné napětí. Proti bipolárním tranzistorům mají tranzistory FET nesrovnatelně větší vstupní odpor. Elektrody se značí G – vstup, D – kolektor, S – emitor.
11. Nastavení a stabilizace pracovního bodu tranzistoru
Má-li tranzistor bezchybně, tj. bez zkreslení zesilovat a správně spínat, musí mít správně nastaven pracovní bod. Tento bod je určen velikostí proudu IC a napětí UCE. Závažným problémem tranzistorových stupňů je vliv teploty, která má za následek pohyb původně nastaveného klidového pracovního bodu.
Nejprve se budeme zabývat klidovým stavem zesilovače kdy na vstupní svorky není připojen budící zdroj.
Připojením napájecího zdroje UCC začne v obvodu zesilovače procházet stálý stejnosměrný proud a v obvodu naměříme stejnosměrná stálá napětí. Kondenzátory, které mají pro stejnosměrný proud nekonečný odpor, znamenají tedy přerušení obvodu. Budící zdroj a vnější zátěž jsou od zesilovače stejnosměrně odděleny kondenzátory CV1 a CV2 a klidové poměry v obvodu určují výhradně rezistory v kolektoru, editoru, bázi a napájecí zdroj. Obvod určující nastavení klidového pracovního bodu má tedy tvar
Pro kolektorový obvod můžeme podle druhého Kirhochova zákona napsat rovnici
RCIC + UCE + REIE – UCC = 0
Protože proud báze je velmi malý, můžeme ho zanedbat a proto IC = IE. Obvodová rovnice se zjednoduší do tvaru (RC + RE) x IC+ UCE = UCC
Grafickým znázorněním této rovnice v soustavě výstupních charakteristik tranzistoru v zapojení SE je zatěžovací přímka. K její konstrukci potřebujeme znát dva body. Nejvhodnější jsou průsečíky s osami napětí UCE a proudu IC. Spojnici těchto dvou bodů nazýváme statickou zatěžovací přímkou zesilovače. Tato přímka je geometrickým místem možných klidových pracovních bodů zesilovače s danými hodnotami RE, RC a UCC. Pro správnou činnost se vyžaduje aby klidový prac. bod byl umístěn ve středu charakteristik. Pustíme-li na vstup zesilovače signál z budícího zdroje ve tvaru sinusovky, začne se nám poloho tohoto bodu měnit kolem jeho klidové polohy P. Geometrickým místem jeho okamžitých poloh je opět přímka. Směrnice je však určena účinným zatěžovacím rezistorem Rz. Tuto směrnici dyn. zatěžovací přímky můžeme sestrojit obdobně jako statickou zatěžovací přímku. Dynamická zatěžovací přímka musí procházet klidovým pracovním bodem P a je rovnoběžná s posledně sestrojenou přímkou. Uděláme tedy rovnoběžku procházející klidovým prac. bodem a dostaneme dynamickou zatěžovací přímku. Podmínkou je aby vstupní budící signál nebyl příliš velký, aby neposouval pracovní bod do zakřivených okrajových částí charakteristiky, neboť by se zde signál zkresloval.
Stabilizace prac. bodu – Kolísání polohy klidového pracovního bodu způsobuje nežádoucí změny pracovního režimu obvodu, které v krajním případě mohou vést až ke ztrátě zesilovacích vlastností, nebo na druhé straně k překročení přípustné kolektorové ztráty a ke zničení tranzistoru. Změnou teploty se posouvá klidový pracovní bod po zatěžovací přímce a tím se mění kolektorový proud. Proto se pro zajištění stálé polohy pracovního bodu používají tzv. stabilizační obvody. V nich jsou zapojeny odpory, aby na nich vzniklé úbytky napětí působily proti změnám proudu a napětí, které jsou způsobeny jednak změnami teploty a jednak stárnutím součástky či kolísáním napájecího napětí.
stabilizace pracovního bodu můstkovým zapojením
stabilizace pracovního bodu se zpětnovazebním odporem
stabilizace pracovního bodu termistorem
ad 1 ad 2ad 3
12. Tranzistor ve funkci spínače a zesilovače
Obě fce tranzistor splní, avšak jeho zapojení se bude značně lišit. Má-li pracovat jako zesilovač napětí, což je častý případ, pak se rozumí zpravidla zesilovač střídavého napětí. Zesiluje slabý signál z mikrofonu, gramofonu, magnetofonové hlavy či jiného zdroje. V takovém případě se snažíme, abychom malou změnou proudu báze vyvolali velkou změnu kolektorového proudu. Protože v kolektorovém obvodu je velký odpor pracovního rezistoru RC, vznikne na něm průchodem proudu značné napětí. Je mnohonásobně větší než to, které jsme přivedli na bázi. Tranzistorem bez budícího signálu trvale prochází kolektorový, tzv. klidový proud. Tím se zásadně liší zapojení tranzistoru – zesilovače od zapojení tranzistoru – spínače. Má-li tranzistor pracovat jako spínač, pak využíváme výlučně jeho krajní stavy: tranzistor je naplno otevřen, sepnut anebo zavřen, rozepnut. Musíme mít na vědomí, že při rozepnutém tranzistoru určitý malý kolektorový proud přece jen prochází. Tím se liší rozepnutý tranzistor od rozepnutého mechanického spínače. U spínače proud v rozepnutém stavu vůbec neprochází.
Tranzistor jako zesilovač :
V klidové poloze, tj. bez buzení vstupním signálem, nastavujeme trvalý klidový proud. Ten vytváří na pracovním rezistoru v kolektoru trvalý úbytek napětí, rovnající se polovičnímu napětí zdroje.
S budícím signálem, tzn. přivedením malého střídavého napětí na bázi se kolektorový proud střídavě zvětšuje a zmenšuje. Přitom zachovává stejný průběh jako budící proud v bázi. Na kolektoru je k dispozici střídavé napětí, mnohem větší než přivedené napětí na bázi
Tranzistor jako spínač:
V klidové poloze, bez buzení, neprochází tranzistorem proud, kromě nepatrného zbytkového proudu. Tranzistor je uzavřen, rozepnut.
S připojeným stejnosměrným napětím na bázi prochází tranzistorem velký kolektorový proud. Tranzistor je sepnut, třebaže malý odpor v obvodu C-E zůstává. Vytvoří se na něm tzv. malé saturační napětí (jistý úbytek napětí). To zhoršuje vlastnosti spínače – tranzistoru.
Zesilovač je aktivní nelineární čtyřpól, tvořený zesilovacím prvkem (tranzistorem) a pomocnými obvody (složenými s obvodových součástek), které souží k nastavení a stabilizaci pracovního bodu. Na vstupu zesilovače je připojen zdroj zesilovaného signálu a na jeho výstupu zátěž. Při zesilování malých signálů můžeme pohyb pracovního bodu po nelineární charakteristice tranzistoru považovat za pohyb po přímkách (linearizace) a zesilovač řešíme jako lineární čtyřpól pomocí linearizovaných rovnic. Zesilovače můžeme dělit:
podle frekvence zesilovaných signálů na
nízkofrekvenční – od 20 Hz do 20 000 Hz (slyšitelný lidskému sluchu)
vysokofrekvenční – úzká frekvenční pásma okolo nosné frekvence, modulované signály
podle velikosti vstupního signálu:
předzesilovače (anténní zesilovače)
výkonové zesilovače (vyžadujeme velké výkonové zesílení)
podle šířky přenášeného pásma:
úzkopásmové (šířka malá vzhledem ke střední frekvenci)
širokopásmové (ke střední frekvenci zesilují velmi široké pásmo – videorekordéry)
podle pracovních tříd
třída A - mají malé zkreslení a jsou určeny pro všeobecné použití
třída B – dvojčinné zapojení, každý prvek zesiluje jednu polovinu periody signálu
třída C – vysokofrekvenční technika
podle vazby
stejnoměrná vazba
s RC členy
s transformátorovou vazbou
podle zesilovacího prvku
elektronkové
tranzistorové
integrované
13. Základy výkonové (měničové) elektroniky (tyristor, triak, výkonová dioda, výkonový tranzistor)
Výkonová elektronika je narozdíl od klasické elektroniky silnoproudým oborem. Pokrok ve výrobě polovodičových součástek umožnil výrobu součástek dovolujících velmi rychle spínat vysoká napětí v řádu až tisíců voltů a vysoké proudy v řádu stovek až tisíců ampér. Díky tomu mohlo dojít ke vzniku nového silnoproudého oboru - výkonové elektroniky. Výkonová elektronika se zabývá především řešením různých měničů parametrů elektrické energie.
Jde o polovodičové součástky, označován jako spínací prvky tyristorového typu. Nejčastěji se používají při regulaci střídavého výkonu. Rozdíl od spínacích tranzistorů je ve způsobu sepnutí prvku. U tranzistorů musíme k udržení sepnutého stavu nepřetržitě dodávat řídící proud I, kdežto u tyristorových součástek po sepnutí řídícím proudovým impulsem nemá řídící elektroda na tyto součástky další vliv.
Tyristor - jedná se o základní součástku řízených usměrňovačů. Jeho funkce je založena na tzv. tyristorovém jevu, tj. lavinovém přechodu z blokovacího do propustného stavu. Tyristor je vlastně spojení dvou bipolárních tranzistorů ve čtyřvrstvé struktuře s třemi přechody PN. Tyto přechody ovlivňují činnost součástky ve třech základních stavech, které jsou:
závěrný stav
blokovací (vypnutý) stav
propustný (sepnutý) stav
V praxi je možné konstruovat tyristory typu PNPN a NPNP. Oby typy se rozlišují podle toho, ke které vrstvě je připojena řídící elektroda – buď k vnitřní vrstvě P nebo N.
V praxi se používá pouze struktura PNPN, poněvadž u struktury NPNP se z fyzikálně technologických důvodů nedaří dosahovat potřebných parametrů (tj. při odpovídající struktuře jsou vždy horší, jiná situace je u nevýkonných tyristorů).
Jak už bylo řečeno – tyristor má tři přechody PN, které se značí J1, J2 a J3, jejichž funkce jsou odlišné.
Nyní si popíšeme základní stavy tyristoru
závěrný stav – I
Na anodu tyristoru je připojen záporný pól a na katodu kladný pól vnějšího zdroje. Na řídíc elektrodě nesmí být kladný potenciál. Přechody J1 a J3 jsou proto polarizovány závěrném směru, zatímco přechod J2 je v propustném stavu. Tyristorem neprochází žádný proud.
blokovací stav – II
Největší rozdíl mezi závěrným a blokovacím stavem je v polaritě připojení vnějšího zdroje. Nyní je kladný pól vnějšího zdroje připojen na anodu A a záporný pól vnějšího zdroje na katodu K. Přechody J1 a J2 jsou polarizovány v propustném směru a přechod J2 je polarizován v závěrném směru. Opět na řídící elektrodě není žádný kladný potenciál. Vzhledem k tomu, že vrstva N1 je dostatečně široká, nedochází ve většině případů k injekci menšinových nosičů náboje z oblasti přechodu J1 do oblasti přechodu J2. Současně nemůže docházet ani k injekci nosičů náboje z oblasti přechodu J3 do oblasti přechodu J2, takže téměř celé napětí vnějšího zdroje bude na přechodu J2. Při dostatečně velké velikosti napětí vnějšího zdroje může dojít k tomu, že menšinové nosiče se mohou dostat z oblasti přechodu J3, projít vrstvou P2 do oblasti přechodu J2 a tím dojde k sepnutí tyristoru.
propustný stav – III (přechod tyristoru z blokovacího do propustného stavu)
Důležitou podmínkou je to, že se vychází z blokovacího stavu, který musí nutně tomuto druhu sepnutí předcházet. Na rozdíl od dvou předešlých případů nyní připojíme na řídící elektrodu G napětí proti katodě tak, aby jím byl přechod J3 mezi řídící elektrodou a katodou polarizován v propustném směru. Řídící elektrodou začne procházet proud IG. Přechodem J3 nyní začne procházet podstatně vyšší koncentrace nosičů než při blokovacím stavu, tzn., že přechodem J3 prochází nyní větší počet elektronů z vrstvy N2 do vrstvy P2. Z nich se velká část dostane do blízkosti přechodu J2, který je pro tyto menšinové nosiče propustný. Přechodem přes přechod J2 se tyto nosiče dostávají do vrstvy N1 kde zvýší koncentraci většinových nosičů, a tato vyšší koncentrace má za následek i vyšší počet nosičů procházejících přes přechod J1.
Triak – jednoslovný název pro obousměrný triodový tyristor neboli pětivrstvý triodový tyristor. Jedná se tedy o pětivrstvou součástku NPNPN. Jde o snahu nahradit antiparalelní zapojení dvou tyristorů jedním prvkem. U triaku se uplatňují nové jevy, jako např. že se tato součástka může spínat i záporným řídícím signálem, takže se může použít pro spínání střídavého napětí.
Výkonové diody
je dvouvrstvá nelineární polovodičová součástka
obsahuje jeden PN přechod
případě, že má polovodič typu P (anoda) k polovodiči typu N (katoda):
kladné napětí - je dioda v propustném stavu
záporné napětí - je dioda v závěrném stavu
v propustném stavu je na diodě propustné napětí uF a prochází jí propustný proud iF
v závěrném stavu je na diodě závěrné napětí napětí uR a prochází jí závěrný proud iR
Z hlediska použití v aplikacích jsou na diody kladeny požadavky vysokého závěrného napětí, nízkého propustného napětí, rychlého přechodu z propustného do závěrného proudu a naopak.
Typické parametry výkonových diod:
uF ~ cca 1V
iF ~ až několik kA
uR ~ až několik kV
iR ~ až desítky mA
Výkonové polovodičové diody se používají k zabezpečení průchodu proudu jedním směrem, nejčastěji k usměrňování střídavého proudu, přičemž se jedná obvykle o hodnoty středního proudu IFAV v oblasti od několika ampér do několika tisíc ampér a závěrného napětí URRM od několika desítek do několika tisíc voltů.
14. Maximální přenos výkonu zdroje do spotřebiče
Elektrický přenos výkonu je z (většinou nebo motoru) na kola dopravního prostředku prostřednictvím . Používá se v případech, kdy je přenášen velký výkon a realizace nebo přenosu výkonu by byla obtížná, tj. zejména u s velkým .
Jeho základní součástí bývá , složené z hnacího agregátu a , které jsou umístěny na společné (viz ). Agregát pohání generátor, který vyrábí elektrický proud. Ten je využit k napájení trakčních , umístěných obvykle přímo v podvozku u příslušné náravy. Přenos mechanické energie je zajišťován buď jednoduchou převodovkou, nebo je motoru umístěn přímo na ose nápravy (tj. hřídel motoru tvoří osu nápravy).
Výhodou tohoto uspořádání je možnost přenosu velkých výkonů a snadná regulace i reverzace pohonu (tj. zejména trakčních elektromotorů). Hnací agregáty mají obvykle omezený rozsah provozních otáček a jejich a je maximální pouze při určitých otáčkách. Při mechanickém přenosu výkonu je nutné z tohoto důvodu používat a , což zvyšuje mechanickou složitost hnacího vozu a snižuje jeho spolehlivost. Při vysokých výkonech je nutné navíc počítat s jejich velkým a rychlým opotřebením, Ani použití spojky a převodovky neeliminuje nutnost provozu motoru v širším rozsahu otáček, než je z provozního hlediska optimální (zejména při rozjezdu). U elektrického přenosu výkonu může hnací agregát pracovat s téměř konstantními (a tudíž optimálními) otáčkami, neboť změna otáček trakčních motorů je prováděna elektrickou regulací (tj. stejným způsobem, jako u ).
Elektromechanický přenos výkonu navíc přináší možnost .
Některé lokomotivy mohou mít na společné hřídeli generátory dva, přičemž jeden z nich slouží jako zdroj trakční energie a druhý např. pro elektrické vytápění vlaku

Zapojení tranzistorů ve fci spínače. Přeruší-li se drátek,
otevře se T1. Na rezistoru RE vzroste napětí, které
otevře tranzistor T2.