vypracované otázky 2009

anzistor pracuje. UN = 10V, RB = 1k W , R2 = 100 W. V uvažované pracovní oblasti je proudový zesilovací činitel tranzistoru h 21E = 100.
a) uVST kladné: uBE = UBE » 0,6V, iB = (uB - UBE) /RB ; u VST záporné: uBE = uVST , IB » 0
b) iB = (uB - UBE) /RB, potom iC = Beta; . iB a uCE = UN - i C RZ - pro uVST = +1 V (aktivní režim) , nebo i C = ( UN - UCES )/RZ a u CE = UCES
pro uVST = +5 V ( saturace)
3. Tranzistor KFY34 / NPN, h21E = 35 až 125, UCB0 = 70V UCER = 50V, ICmax = 500 mA, UCES < 1,5V PC = 800mW (bez přídavného chlazení)/ má spínat zátěž s jmenovitým napájecím napětím 24V a odporem vinutí RS = 60 W :
a) navrhněte schéma zapojení spínače.
b) určete velikost IB pro sepnutí zátěže.
c) určete velikost proudů a napětí v obvodu I B = f(t), IC= f(t), UBE = f(t) a U CE = f(t) při sepnutí a rozepnutí spínače a nakreslete je do grafu.
d) rozhodněte, zda je nutné použít přídavné chlazení tranzistoru.
Viz př. 1. a př.2.
4. Dva tranzistory se stejnými geometrickými rozměry jsou určeny pro různou oblast použití. T1 je běžný křemíkový tranzistor, T2 je velmi rychlý spínací tranzistor. Který z tranzistorů bude mít obvykle větší proudový zesilovací činitel. Zdůvodněte.
U spínacích tranzistorů se zrychlení rozepnutí dosahuje pomocí rekombinace nadbytečných nosičů – především v oblasti báze (příměsi, které se projevují jako rekombinační centra). Nosiče, které rekombinují v bázi, nemohou být odsáty kolektorovým přechodem - IC bude u spínacích tranzistorů při stejné velikosti I E popř. IB menší. Proudový zesilovací činitel bude tedy větší u běžného tranzistoru.
5. Je průrazné napětí bipolárního tranzistoru v závěrném režimu v zapojení SE závislé na obvodovém zapojení tranzistoru? Jestliže ano uveďte jak a zdůvodněte.
Ano. Zbytkový prou d přechodu CB (ICB0) může protékat bází do emitoru- zvětší se potenciál přechodu BE, zvětší se proud přechodu BE (emise) a následně se zvětší proud kolektoru. Při větším proudu kolektoru se zvýší pravděpodobnost lavinového průrazu přechodu CB. Pro dosažení velkého závěrného napětí je tedy třeba potlačit vliv zbytkového proudu přechodu CB: a) pomocí odporu R < 100W mezi B a E. b) zkratováním přechodu BE - např. vinutím budícícho transformátoru. c) přivedením záporného (NPN tranzistor) napětí na bázi.
2006
1)a) Vysvětlete pojem: doba života nosičů. Jakých hodnot nabývá u běžných polovodičů? b) Jak ovlivňuje struktura polovodiče její velikost? c) Které parametry polovodičové diody a bipoláru. doba života ovlivňuje?
a) je to střední doba existence nosičů v polovodičích (od genereace do rekombinace). U běžných polovodičů nabývá hodnoty kolem 10E-6 s, u velmi čistých krystalů až 10E-3 s.
b) u polovodičů se strukturními poruchami nebo úmyslně zavedenými rekombinačními centry může klesnout až k 10E-9 s.
c) U polovodičové diody ovlivňuje rychlost rozepnutí a velikost závěrného proudu. U bipoláru je důležitá rekombinace v bázi – při zavedení rekomb. center se zrychluje rozepnutí tranz. v režimu spínače – ovšem za cenu podst. zmenšení proudového zesilovacího činitele a zvětšení zbytkových proudů tranzistoru
2) a)Vysvětlete rozdíl mezi tranzistorem FET s trvalým kanálem a tranzistorem FET s indukovaným kanálem. b) Nakreslete jejich převodní charakteristiky. c) Pro oba typy nakreslete schéma pro nastavení pracovního bodu do oblasti saturace.
a) U tranzistoru s indukovaným kanálem je pro vytvoření kanálu zapotřebí obohatit oblast pod hradlem minoritními nosiči tak, aby vznikla inverzní vrstva propojující oblast S a D.
V tranzistoru s trvalým kanálem je vodivý kanál i bez napětí přiloženého na elektrodu G.
b)
c)
3) Za jakých podmínek může tyristor přejít z blokujícího do sepnutého stavu?
• Proudový impuls IG přiložený na hradlo vyvolá proud IB2 do báze tranzistoru T2 a uvede tranzistor T2 do sepnutého stavu.
• Velký kolektorový proud IC2 tranzistoru T2 teče do báze tranzistoru T1, IB1 = IC2, a sepne tranzistor T1.
• Po odeznění proudového impulsu IG teče do báze tranzistoru T2 kolektorový proud tranzistoru T1, IC1 = IB2, který dále otevírá tranzistor T2 nastává kladná zpětná vazba a anodový proud tyristoru narůstá.
4)Jak určíme dynamický odpor emitoru bipolárního tranzistoru? Jaká je jeho souvislost se vstupním odporem tranzistoru v zapojení SE? Závislost proudu přechodem BE na napětí UEB je exponenciální, dynamický odpor určíme obdobně jako u polovodičové diody rE = UT / IE. Vstupní odpor tranzistoru v zapojení SE je v oblasti nízkých kmitočtů roven diferenciálnímu odporu báze rB = UT / IB, tedy rB = beta rE.
5) Je průrazné napětí bipolárního tranzistoru v závěrném režimu v zapojení SE závislé na obvodovém zapojení tranzistoru? Jestliže ano uveďte jak a zdůvodněte.
Ano. Zbytkový prou d přechodu CB (ICB0) může protékat bází do emitoru- zvětší se potenciál přechodu BE, zvětší se proud přechodu BE (emise) a následně se zvětší proud kolektoru. Při větším proudu kolektoru se zvýší pravděpodobnost lavinového průrazu přechodu CB. Pro dosažení velkého závěrného napětí je tedy třeba potlačit vliv zbytkového proudu přechodu CB: a) pomocí odporu R < 100W mezi B a E. b) zkratováním přechodu BE - např. vinutím budícícho transformátoru. c) přivedením záporného (NPN tranzistor) napětí na bázi.
6) Uveďte nejdůležitější podmínky pro optimální činnost struktury bipolárního tranzistoru. Šířka báze - mnohem menší než střední difúzní délka nosičů (podmínka tranzistorového jevu). Nosiče injekované z emitoru jsou pak zachyceny přechodem BC. Koncentrace příměsí v emitoru - mnohem větší než v bázi (emitorový proud je tvořen převážně nosiči z emitoru). Kontakt báze - co nejdále od přechodu (zachycení co nejmenšího množství nosičů z emitoru). Plocha kolektoru - co největší (účinné odsávání nosičů přechodem BC v závěrném směru).
7)a)Definujte bariérovou kapacitu přechodu PN. b) Jak závisí její velikost na konstrukci diody? c) Jak závisí její velikost na pracovním bodě diody?
a) Je to jedna z typů kapacit, kterou vytváří PN přechod v polovodičové struktuře. Je tvořena dvojvrstvou prostorového náboje depletiční vrstvě. Převažuje v závěrném směru.
b) závisí:- na ploše přechodu A
- na koncentracích Na a Nd
c) s rostoucím závěrným U klesá (možná)
8)Dva jinak shodné tranzistory se liší koncentrací příměsí v kolektoru - T2 má menší koncentraci příměsí než T1. Jak se budou lišit jejich výstupní VA charakteristiky? Tranzistor s menší koncentraci příměsí v kolektoru (T2) bude mít větší závěrné napětí, přechod BC bude rozšířen směrem do kolektoru - bude zde větší efektivní šířka báze a menší proudový zesilovací činitel beta. Při zvýšení napětí UCE se přechod BC bude rozšiřovat více do kolektoru, vliv Earlyho jevu bude nevýrazný a beta se bude měnit velmi málo. V případě T1 bude přechod více rozšířen do báze, bude zde menší efektivní šířka báze, větší hodnota beta i vliv Earlyho jevu - vzrůst hodnoty beta při zvýšení UCE (vějířové rozevření charakteristik).
9) a) Vysvětlete funkci elektrolytických kondenzátorů. b) Jaké zásady je nutné dodržet při jejich použití? Pro jaké aplikace jsou vhodné? Elektronické kondenzátory: velké kapacity (i mikroF), malé napětí, velké rozměry, nepřesné hodnoty. Použití: jako filtrační a rozběhové kondenzátory. Liší se tím, že katodu netvoří kov, ale elektrolyt. Dielektrikum tvoří oxidová vrstva. Funkce: regenerace oxidové vrstvy. Zásady: správně připojit (+) a (-) pól. Dimenzovat na správné napětí
10) a) Načrtněte uspořádání fotonásobiče. b) Stručně vysvětlete jeho činnost. c) Uveďte alespoň dva příklady použití. Je to prvek vytvořený spojením vakuové fotonky a násobiče elektronů ve společné baňce. Při dopadu fotonu se uvolňují sekundární elektrony putující k poslední sběrné elektrodě s největším potenciálem. Použití: k detekci a měření velmi malých optických signálů. Uvnitř pracovního prostoru fotonásobiče je fotokatoda, z níž při dopadu fotonu s prahovou energií vyletí elektron. Vzniklý primární tok elektronů je sekundární emisí na vhodně uspořádaných elektrodách zesílen na měřitelný proudový impuls. c)detekce velmi slabých toků záření,
Optoelektronika
1) Vysvětlete princip fotodiody a načrtnete její AV charakteristiky.
2) V jakých režimech může pracovat fotodioda? Uveďte jejich výhody a nevýhody.
Fotodioda využívá ke své činnosti generaci páru elektron - díra. Jeli zapojena v závěrném směru v sérii se zdrojem ss napětí a rezistorem, posouvá se pracovní bod dle intenzity osvětlení po odporové přímce RL. a dioda se chová jako rezistor řízený osvětlením. Dioda se chová jako spotřebič (je to odporový režim). V hradlovém režimu se fotodioda chová jako zdroj fotonapětí. Podle volby zaťěžovacího odporu rozlišujeme 3 případy: nakrátko; naprázdno; výkonově optimální

3) Vysvětlete princip diody LED. Čím je ovlivněna vlnová délka emitovaného záření?
Dioda je vytvořena z materiálu GaAs a emituje infračervené záření. Dioda z materiálu GaAs1-xPx emituje záření červené barvy. Funguje na principu elektroluminiscence. Využívá se zářivé rekombinace na PN přechodu v propustném směru. U Si a Ge málo pravděpodobná pouze při zavedení do luminiscenčních center a při nízkých teplotách. Spíše se používá polovodičů s tzv. přímou pásovou strukturou (GaAs). V oblasti viditelného záření musí být EG>1,8. Vzhledem k velkému EG mají malé saturační proudy a proto i tedy velké napětí v propustném směru. Větší intenzita záření je v oblasti rekombinace elektronů.
4) Jaké základní součásti musí mít každý laser ?
Laserové světlo je vysoce monochromatické, vysoce koherentní, vysoce směrové, lze jej ostře zfokusovat
5) Načrtněte uspořádání laserové diody a stručně uveďte podmínky pro její činnost.
činnost: při průchodu malého proudu diodou vydává luminiscenční dioda nekoherentní záření. Ke genereci koherentního záření dojde až proudová hustota přechodem PN překročí prahovou hodnotu.
6) Uveďte typické aplikace laserových diod.
Využívá se CD mechanikách, snímače

7) Jaký je rozdíl mezi fotometrickými a radiometrickými veličinami?
Radiometrické j.: měření energie optického záření [W]
Fotometrické j.: měření účinku světla na sítnici lidského oka
Tyristor, triak, diak

Nakreslete strukturu tyristoru a její náhradní schéma.

2) Jakými způsoby je možné převést tyristor z blokujícího do sepnutého stavu? Vysvětlete na náhradním schématu tyristoru.
• Proudový impuls IG přiložený na hradlo vyvolá proud IB2 do báze tranzistoru T2 a uvede tranzistor T2 do sepnutého stavu.
• Velký kolektorový proud IC2 tranzistoru T2 teče do báze tranzistoru T1, IB1 = IC2, a sepne tranzistor T1.
• Po odeznění proudového impulsu IG teče do báze tranzistoru T2 kolektorový proud tranzistoru T1, IC1 = IB2, který dále otevírá tranzistor T2 nastává kladná zpětná vazba a anodový proud tyristoru narůstá.
3) Jakým způsobem je možné dosáhnout vypnutí tyristoru?
– snížením proudu procházejícího tyristorem na hodnotu menší než je hodnota přídržného (vratného) proudu IH
– komutací (změnou polarity) anodového napětí, tj. přiložením závěrného napětí na tyristor: tyristor přejde do závěrného stavu a poté je třeba změnit polaritu anodového napětí a obnovit blokovací stav - zde je v praktických zapojeních nebezpečí parazitního sepnutí vysokou strmostí nárůstu blokovacího napětí
Tyristor nelze vypnout:
– přerušením proudu v řídicím obvodu hradla
– nebo změnou polarity hradla.
4) Nakreslete spínací charakteristiku tyristoru pro dvě různé teploty - T2 > T1 .

5) Jak lze u tyristoru potlačit náchylnost k nežádoucímu sepnutí?
Úpravou vrstvy N2, tato vrstva je na mnoha místech zkratována výběžky vrstvy P2, nazýváme mikrosvody. Úprava způsobí, že kapacitní proud nebo teplotou zvětšený proud přechodu J2 prochází výběžky vrstvy P2 až ke katodovému vývodu.

6) Vysvětlete princip regulace výkonu pomocí tyristoru a nakreslete principiální schéma zapojení.
tyristorem si řídíme spínání výkonu v průběhu sinusovky (střídavý proud). (podle fáze sepnutí dochází k přenosu buď 100% výkonu, nebo námi určené části. plocha sinusovky je výkon)

7) a) Načrtněte strukturu triaku b) Stručně vysvětlete jeho činnost.
Vlastnosti triaku přibližně odpovídají vlastnostem dvou antiparalelně zapojených tyristorů, u kterých jsou řídící elektrody propojeny v jednu.
8) Jakým způsobem je možné triak sepnout?
Pro sepnutí triaku musí být na hlavních elektrodách dostatečně velké napětí a do řídící elektrody musí být přiveden proudový impuls o hodnotě vyšší než je proud spínací.
Triak je sepnutý a vede tak dlouho, dokud se velikost protékajícího proudu nesníží pod hodnotu vratného proudu (tj. do okolí nuly).
Uzavírání triaku nastane při poklesu proudu pod hodnotu vratného proudu, a to při jakémkoliv proudu řídící elektrody.
Pokud triakem neprotéká žádný proud a hodnota proudu na řídící elektrodě je nižší než hodnota spínacího proudu, triak se ihned uzavře (rozepne)
9) Jaká je typická oblast použití triaku?
Typické použití je v regulaci domácího osvětlení, otáček praček, vrtaček a podobných nízkovýkonových elektrických spotřebičů.
10) a) Načrtněte strukturu diaku b) Stručně vysvětlete jeho činnost. c) Jakým způsobem je možné diak sepnout?
Je to vlastně symetrický lavinový tranzistor. Princip: přivedeme - li na diak vnější napětí, pak je jeden z PN přechodů polarizován v přímém směru a druhý v závěrném. Jestliže napětí dosáhne hodnoty Ubo, pak prudce vzroste procházející proud a napětí na diaku poklesne. Použití: používají se při ochraně proti přepětí pro řídící obvody tyristorů a triaků. |P|N|P| Obdoba tranz., zde však báze odpojena Diak se vyznačuje symetrickou VA charakteristikou s oblastí záporného diferenciálního odporu, ale s dosti značným úbytkem napětí v propustném směru