Základy elektrotechniky (II)

KONDENZÁTOR

Kondenzátory jsou součástky, které mají schopnost vázat elektrický náboj. Jednotkou kapacity je farad F. Kondenzátor má kapacitu 1 F, pokud se nábojem 1 coulombu (proud 1 A po dobu 1 s) nabije na napětí 1 V.

Protože základní jednotka kapacity je příliš velká pro běžné použití, používají se menší jednotky:

• mikrofarad μF (10^-6 F)
• nanofarad nF (10^-9 F)
• pikofarad pF (10^-12 F).

Za základní jednotku se často považuje v praxi pikofarad. Je-li např. ve schématu u kondenzátoru napsáno 100, znamená to 100 pF, 22n znamená 22 nF, M1 = 0,1 mikrofaradu = 100 nF, 10M = 10 mikrofaradů, 2m2 = 2,2 milifarady = 2 200 mikrofaradů. Často se značí hodnota kondenzátorů číselným kódem. Např. 332 znamená 33.10² (pikofaradů) = 3,3nF. 104 = 10 . 10⁴pF = 100 nF, apod.

V základní podobě tvoří kondenzátor 2 vodivé, rovnoběžné desky. Prostor mezi nimi je vyplněn izolantem - dielektrikem. Jako dielektrikum se používá kondenzátorový papír, slída, keramika, plastové folie. U elektrolytických kondenzátorů tvoří dielektrikum tenká vrstva kysličníku na povrchu hliníkové nebo tantalové elektrody. Ta se vytváří a udržuje působením elektrického proudu, je-li elektroda ponořena ve vhodném elektrolytu. Vývody těchto kondenzátorů jsou označeny + a -. Případná jejich záměna (přivedení napětí opačné polarity) by způsobila depolarizaci této vrstvy a tím zničení kondenzátoru.

Kapacita je úměrná ploše elektrod a nepřímo úměrná jejich vzdálenosti. Dielektrikum svojí polarizací zvětšuje kapacitu - schopnost vázat elektrický náboj. Kondenzátory se vyrábějí pro různá napětí. Napětí na kondenzátoru nikdy nesmí být větší než udává výrobce.

Při paralelním spojení kondenzátorů je výsledná kapacita součtem jednotlivých kapacit.

C = C₁ + C₂

Při sériovém zapojení kapacit se podobně jako u paralelního zapojení rezistorů sčítají jejich převrácené hodnoty.

1/C = 1/C1 + 1/C2

C = C1C2/(C1+C2)

Zapojíme-li kondenzátor do obvodu se stejnosměrným zdrojem napětí, kondenzátor se nabije a proud jím neprochází. V obvodu střídavého proudu kondenzátorem prochází proud (kondenzátor se nabíjí a vybíjí), který je dán vzorcem: I_c = U_c/X_c, kde X_c je tzn. kapacitní reaktance (odpor) kondenzátoru. Udává se v ohmech a vypočítáme ji podle vzorce X_c = 1/(2πfC).

Z tohoto vzorce vidíme, že čím je větší kapacita kondenzátoru, tím větší proud jím teče. Při nízkých kmitočtech je proud malý, s rostoucím kmitočtem roste. Pro vysoké kmitočty se kondenzátor chová jako zkrat. Do výše uvedeného vzorce dosazujeme kapacitu v základních jednotkách - ve faradech.

Proud tekoucí kondenzátorem předbíhá napětí o π/2 (90°). Kondenzátor se nejdříve musí nabít, potom je na něm napětí. Na kondenzátoru, který je připojen ke střídavému napětí, nevzniká činný výkon (tepelné ztráty).

CÍVKA

Cívky působením elektrického proudu vytvářejí magnetické pole. To v nich indukuje elektrické napětí působící proti proudu, který je vytváří. Cívku značíme ve schématech písmenem L, jednotkou je henry (H). Cívka má indukčnost 1 H, jestliže změnou proudu 1 A za 1 s se v ní indukuje napětí 1 V.

Cívka je tvořena vinutím a jádrem. (Existují i vzduchové cívky bez jádra). Jádro tvoří feromagnetický materiál ze sloučenin železa (transformátorové plechy, ferity), který má velkou permeabilitu. To znamená, že zesiluje magnetické pole, které vzniklo působením elektrického proudu. Pro stejnosměrný proud má cívka minimální odpor, který je dán pouze odporem jejího vinutí.

V obvodu střídavého proudu a napětí se v cívce indukuje napětí. Platí zákon, že indukované napětí působí svými účinky proti změně, která jej vyvolala (Lencův zákon). To znamená, že ačkoliv ohmický odpor cívky je při stejnosměrném proudu téměř nulový, střídavému proudu klade cívka "odpor", kterým je proud omezen. Tento odpor je pouze zdánlivý a nazývá se indukční reaktance X_L [Ω] Platí U = I . X_L - Ohmův zákon pro obvod s ideální cívkou. Indukční reaktanci vypočítáme ze vztahu X_L = 2πfL. Její jednotkou jsou ohmy. Jedná se o veličinu frekvenčně závislou. Indukční reaktance X_L roste lineárně s frekvencí, proud tekoucí cívkou je nepřímo úměrný frekvencí.

Napětí na cívce předbíhá proud o π/2 (90°). (Nejprve na cívku přivedeme napětí, které vytvoří magnetické pole, potom začne procházet proud.)

POLOVODIČE

Polovodiče jsou materiály ze 4. skupiny Mendělejevovy tabulky. Nejznámější jsou germanium (Ge) a křemík (Si). Každý atom má 4 vazby, pomocí kterých se váže na sousední atomy. V čistém polovodiči nejsou volné elektrony, proto vodí špatně elektrický proud. Přidáme-li k prvku 4. skupiny příměs prvku 5. skupiny (např. arsen - As), bude při vzájemných vazbách mezi atomy mít atom příměsi jednu vazbu navíc - volný elektron. Atom proto nazýváme donorem. Volný elektron je nositelem elektronové vodivosti. Jedná se o polovodič typu N.

Přidáme-li k prvku 4. skupiny prvek 3. skupiny zvaný akceptor (např. Indium - In), bude jeden elektron chybět. Vznikne kladný náboj - díra, polovodič má děrovou vodivost. Jedná se o polovodič typu P.

Vodivost polovodičů vzrůstá přidáním příměsí.

Obrázek č.1 - a/ Struktura atomů čistého polovodiče; b/ polovodič typu N; c/ polovodič typu P

DIODA

Dioda je polovodičová součástka. Její základní vlastností je, že vede proud pouze v jednom směru. Je tvořena přechodem P - N. Má 2 vývody anodu (A) a katodu (K). Je-li tento přechod bez vnějšího napětí, dochází na rozhraní oblasti P a N ke spojování - rekombinaci volných elektronů a děr. Náboje opačné polarity se přitahují a tak vzniká potenciálový val, který brání průchodu proudu (obr.2 a).

Obrázek č. 2 - a/ Schematická značka diody, její vnitřní struktura, P -N přechod bez vnějšího napětí;
b/ Dioda v propustném směru; c/ dioda v závěrném směru

Připojíme-li na diodu napětí v propustném směru (na anodu kladné, na katodu záporné), zruší se potenciálový val, proud začne procházet, kladné nosiče náboje jsou přitahovány záporným napětím, volné elektrony kladným napětím (obr.2 b). Obrátíme-li polaritu napětí, vytvoří se v diodě vyprázdněná bez volných elektrických nábojů, proud nemůže procházet, dioda je v závěrném směru (obr.2 c). Protože polovodičový materiál nelze vyrobit úplně čistý, prochází diodou, která je zapojena v závěrném směru určitý zbytkový proud. Ten je ale u moderních součástek většinou zanedbatelný, u křemíkových diod je řádu nA.

Z voltampérové (VA) charakteristiky (závislost proudu na napětí) vidíme, že se jedná o součástku, která se chová odlišně při měnící se polaritě napájejícího napětí (při jejím zapojení nesmíme zaměnit anodu a katodu). Je-li napětí v propustném směru menší než napětí prahové U_P, potenciálový val brání průchodu proudu, který je potom velmi malý (mikroampéry). Vzniká tak charakteristické zakřivení VA charakteristiky.

Překročíme-li prahové napětí, roste proud velmi rychle. Nesmíme však překročit mezní proud v propustném směru I_F, aby nedošlo ke zničení diody. Při větších proudech (stovky mA, jednotky A) vzniká na diodě nezanedbatelný ztrátový výkon P = U_d.I_d, dioda se zahřívá. Proud v závěrném směru je zpravidla zanedbatelný (mikroampéry). Nesmíme však překročit mezní závěrné napětí U_R, aby nedošlo k průrazu, kterým by se dioda zničila. Hlavně podle těchto parametrů si vybíráme typ diody pro konkrétní aplikaci.

Podle materiálu a podle prahového napětí dělíme diody na:

1. germaniové - U_P = 0,22 V, závislost jejich vlastností na teplotě je velmi vysoká, mají velký zbytkový proud v závěrném směru (mikroampéry), nyní se již nepoužívají.
2. křemíkové - U_p = 0,56 V, napětí v propustném směru typicky 0,6 - 0,7 V - (velmi důležité hodnoty), při velkých proudech maximálně 1,1 V. Závěrný proud je zanedbatelný - desítky nanoampér. Jedná se o nejvíce používaný typ diody.
3. Schottkyho diody - (využívá se rozhraní kov - polovodič N) - U_p = 0,2 - 0,3 V, používá se tam, kde je zapotřebí velká rychlost a velmi krátká zotavovací doba. Rovněž malé výkonové ztráty jsou jejich důležitou výhodou. Jejich nevýhodou je menší závěrné napětí.
4. LED - elektroluminiscenční diody, materiál GaAs (galium arsenid), napětí v propustném směru 1,5 - 2 V (dle barvy) infračervená LED má U_p = 1 V, bílá nebo modrá LED 2,5 až 3 V.

Diody dělíme podle užití na usměrňovací (I_F jednotky až desítky ampér, U_R stovky voltů) a detekční - spínací (I_F desítky miliampér, U_R desítky voltů)

Obrázek č. 3 - a/ VA charakteristika diody (ve skutečnosti je zaoblená); b/ Schematická značka NPN
(šipka ven) a PNP tranzistoru; c/ Zapojení a princip činnosti tranzistoru

TRANZISTOR

Tranzistor je základním stavebním prvkem v elektronice. Má schopnost zesilovat napětí a proud, což je vlastnost velmi důležitá. Používá se nejen jako diskrétní součástka (každý tranzistor v samostatném pouzdře), ale také v integrovaných obvodech. Tranzistor je třívrstvá polovodičová součástka, obsahuje dva PN přechody, jeho vývody se nazývají báze (B), kolektor (C) a emitor (E). Podle vnitřní struktury dělíme tranzistory na NPN a PNP. Oba typy pracují na stejném principu činnosti, ale s opačnou polaritou napájecího napětí.

U typu NPN jsou nosiči proudu volné elektrony, u typu PNP díry, které se pohybují pomaleji. Proto má NPN tranzistor lepší vlastnosti při zpracování signálů s vyšší frekvencí a používá se častěji. Tranzistorový jev proto budeme vysvětlovat na NPN tranzistoru. Na emitor je přivedeno záporné napětí, na kolektor kladné. U_BE je zpravidla menší než U_CE.Přechod báze-emitor je v podstatě dioda zapojená v propustném směru, přechod kolektor-báze je zapojen v závěrném směru. Teče-li proud obvodem báze-emitor, dostávají se elektrony z oblasti emitoru (polovodič N) do oblasti báze. Protože na kolektoru je větší napětí než na bázi a oblast báze (polovodič P) je velmi tenká, většina elektronů je stržena do oblasti kolektoru.

Z toho vyplývá, že protéká-li proud obvodem báze-emitor (I_B), začne protékat proud i mezi kolektorem a emitorem (I_C) přes přechod kolektor - báze, který je v závěrném směru. Proud kolektoru je závislý na proudu báze. U moderních tranzistorů, které mají velmi tenkou oblast báze, platí, že I_C je mnohem větší než I_B, protože většina elektronů se z emitoru nedostane do báze, ale do kolektoru.

Tranzistor působí jako zesilovač proudu. Malému řídícímu proudu (I_B) odpovídá velký proud řízený (I_C). Poměr I_C / I_B se nazývá proudový zesilovací činitel tranzistoru. Bývá v rozsahu 10 - 1000, nejčastěji 100 - 300. Označuje se β nebo h_21E. U výkonových tranzistorů bývá zesílení menší (10 - 100).

V každém tranzistoru musí platit:

I_E = I_C + I_B - Při dostatečně velkém zesílení přibližně platí I_E = I_C

Obrázek č.4 - a/ VA charakteristika tranzistoru; b/ Tranzistor jako spínač; c/ Vnitřní struktura unipolárního
tranzistoru

Vlastnosti tranzistoru můžeme znázornit graficky v jednom obrázku.V prvním kvadrantu je výstupní charakteristika I_C = f (U_CE), ve třetím kvadrantu vstupní charakteristika - závislost I_B a U_BE.

Vstupní charakteristika tranzistoru je podobná VA charakteristice diody. U křemíkového tranzistoru je typická hodnota napětí U_BE = 0,6 V, při saturaci max. 0,7 V. Je-li tranzistor otevřen, musíme na něm vždy tuto hodnotu naměřit. Při nižších hodnotách U_BE musí být uzavřen (obvodem kolektor - emitor neprotéká proud).

Výstupní charakteristika je popsána soustavou křivek, kde parametrem je proud báze (parametrická charakteristika). Je z ní vidět, že proud kolektoru je převážně závislý na proudu báze. Všechny křivky se sbíhají na tzv. mezní přímce. Při úplném otevření tranzistoru (U_CE se blíží nule) tranzistor již nemůže zesilovat proud, chová se jako kdyby mezi kolektorem a emitorem byl velmi malý odpor.

Říkáme, že tranzistor je ve stavu saturace - nasycení. Typická hodnota saturačního napětí je u moderních tranzistorů malého výkonu (do 1 W) asi 0,2 V. U výkonových tranzistorů bývá 1 až 2 V.

Při saturaci se tranzistor chová jako sepnutý spínač, na kterém je malý úbytek napětí. Dochází k ní při dostatečně velkém proudu báze, kdy již není možné aby platilo: I_C = β . I_B

Proud kolektoru je totiž omezen hodnotami dalších součástek (kolektorový odpor R_z). Pokud je na bázi tranzistoru napětí menší než 0,6 V, potom I_B = 0. Obvodem kolektor-emitor teče pouze zbytkový proud (řádově 1 μA), tranzistor se chová jako rozepnutý spínač.

Tento spínač řídíme proudem do báze tranzistoru. Řídící napětí U_říď přivádíme na bázi tranzistoru přes ochranný odpor R_B. Jinak by byl proud báze příliš velký a tranzistor by se zničil. Odpor R_Z (zátěž) v kolektoru tranzistoru omezuje jeho kolektorový proud. Tranzistor umožňuje bezkontaktní spínání zátěže v kolektorovém obvodu proudem přivedeným do báze. Že bezkontaktní spínání je oproti relé rychlejší, spolehlivější a výhodnější z hlediska rozměrů i životnosti spínače pochopí jistě každý. Při sepnutí se tranzistor zpravidla dostane do saturace. Aby tomu tak skutečně bylo, musí platit, že I_B.h_21e > I_C.

Kromě výše popsaných bipolárních tranzistorů se stále více používají tranzistory unipolární. Jsou to tranzistory řízené elektrickým polem, které se přivádí na kovovou řídící elektrodu G. Mezi ní a polovodičem je vrstva izolantu. Tyto tranzistory označujeme zkratkou MOS. Jejich hlavní výhodou je nekonečný vstupní odpor a nulový řídící proud. Kolektor se značí někdy písmenem D, emitor písmenem S (viz obrázek výše).