Zápisy do sešitu

Zapojení se společným emitorem

Budicím obvodem je obvod báze-emitor, výstupním obvodem je obvod kolektor-báze-emitor.

Tranzistor zapojený do obvodu. Jelikož levý přechod (emitor-báze) je v propustném směru, dostávají se elektrony do báze. Tam sice některé zrekombinují, ale většina se dostává do kolektoru, jelikož přechod báze-kolektor je pro ně jako minoritní nosiče v bázi v propustném směru.

U tranzistoru (stejně jako u diody) nutno vždy zapojovat do série s bazí ochranný rezistor, který omezuje maximální proud procházející bazí!.

Použití:

1. Jako zesilovač signálu - na bazi se přivádí malý řídící proud, kterým se ovládá velký proud v kolektorovém obvodu - zapojení:

2. Jako spínač - neprochází-li proud bazí, je tranzistor zavřený a funguje jako rozepnutý spínač. Při průchodu určitého proudu bazí se tranzistor otevírá a funguje jako sepnutý spínač.

Unipolární tranzistor

- bipolární tranzistor potřebuje ke své činnosti výkon do řídícího obvodu => není možné integrovat tisíce bipolárních tranzistorů na jediném čipu (přehřál by se)

- je potřeba tranzistor, jehož vstupním obvodem neteče proud (je řízený napětím, podobně jako elektronka) - tranzistory řízené polem, FET (field effect transistor)

Řídící elektroda - hradlo G je izolováno tenkou vrstvičkou izolantu, např. SiO₂. Jeho odpor je tedy teoreticky nekonečný, v praxi je řádu 10¹¹-10¹² W.

V kusu polovodiče typu N jsou dvě oblasti typu P a ty slouží jako elektrody S a D. Řídicí elektroda G je mezi těmito oblastmi a je izolována tenkou vrstvou SiO₂. Přiložíme-li nyní na řídicí elektrodu dostatečně vysoké záporné napětí (avšak nikoliv tak vysoké, aby nastal elektrický průraz vrstvičky SiO₂), vytvoří se na povrchu polovodiče typu N v blízkosti hradla tzv. inverzní vrstva (jevem elstat. indukce), tj. vrstva o opačné vodivosti, tedy o vodivosti P a tato inverzní vrstva propojí obě oblasti typu P (elektrody S a D) a mezi těmito elektrodami může procházet proud.

Proud I_DSmezi elektrodami D a S nepoteče, bude-li na elektrodě G nulové napětí vůči elektrodě S - inverzní vrstva je indukována napětím na hradle tranzistoru, bez napětí inverzní vrstva neexistuje a tranzistor tedy nevede ... tranzistor MOSFET s indukovaným kanálem. Pracovní oblast napětí na hradle leží tedy (pro MOSFET s indukovaným kanálem typu P) v oblasti záporných napětí vůči elektrodě S.

- při povrchu základního polovodiče u oxidové vrstvičky je technologicky vytvořena tenká oblast vodivosti P, která slouží jako vodivý kanál mezi elektrodami S a D v případě, že na elektrodě G je nulové napětí vůči S. Tranzistor MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem tedy vede proud I_DS v případě, že na elektrodě G je nulové napětí. Je-li kanál technologicky vytvořen, může tranzistor MOSFET pracovat ve dvou režimech, režimu obohacení a režimu ochuzení.

Režim obohacení nastává při přiložení záporného napětí na elektrodu G, kdy se elektrostatickou indukcí kanál dále rozšiřuje a tedy ochuzuje o elektrony a stává se vodivější.

Režim ochuzení: Při přiložení kladného napětí na elektrodu G nastává opět elektrostatická indukce, ale s opačným efektem, technologicky vytvořený kanál typu P se obohacuje o elektrony, jeho průřez klesá, až při určitém dostatečně velikém kladném napětí U_GS proud mezi elektrodami S a D klesne prakticky na nulu, tranzistor se zavře.

Pracovní oblast tranzistoru MOSFET s technologicky vytvořeným kanálem leží v kladných i záporných napětích U_GS, a je možno ji vhodným technologickým postupem ”posunout” buď víc do oblasti kladných nebo víc do oblasti záporných napětí na hradle.

Aby byly tranzistory MOSFET co nejcitlivější, mají velmi tenkou izolační vrstvičku. Ta může být snadno elektricky proražena.

Použití:

Používá se podobně jako bipolární tranzistor ¤ (tj. např. zesilovače či spínače), oproti němu má tu výhodu, že je řízen napětím.

Operační zesilovač

- zesilovač s velkým vstupním odporem ¤ R_i řádu stovky kW až několika MW , s malým výstupním odporem ¤ řádu 100 W a velkým zesílením (tj. poměrem výstupního a vstupního napětí) větším než 10⁴.

Operační zesilovač má dva vstupní obvody: invertující ¤ a neinvertující ¤. Při zavedení signálu na invertující vstup se na výstupu operačního zesilovače objeví signál v opačné fázi, zatímco při přivedení signálu na neinvertující vstup je signál na vstupu a výstupu operačního zesilovače ve fázi.

- ideální operační zesilovač:
zesílení A ... nekonečně velké
vstupní odpor R_i ... nekonečně velký
výstupní odpor R_v ... nulový
Ideální operační zesilovač zesiluje rovnoměrně signály všech frekvencí včetně nulové.

- se zpětnou vazbou, tj. přes rezistor R₀ je spojen vstup a výstup zesilovače

Vstupní odpor ideálního operačního zesilovače je nekonečný. Vstupní odpor je odpor mezi oběma vstupními svorkami (označené +, -). To znamená, že mezi těmito svorkami nepoteče operačním zesilovačem žádný proud, tedy i_S = 0. a tedy i napětí U_i = 0.

Proud i₁ je proud tekoucí odporem R₁. Je tedy roven i₁ = U_R1/R₁, kde U_R1 je napětí na rezistoru R₁. To je rovno rozdílu potenciálů ¤ mezi body A a S. Potenciál j_A v bodě A je roven U₁, protože U₁ je napětí mezi tímto bodem a zemí (šipka na obrázku ukazuje směr poklesu potenciálu). Potenciál j_Sv bodě S je roven U_i, protože U_i je napětí mezi tímto bodem a zemí. Z důvodů uvedených výše ¤ je však U_i = 0, tedy potenciál v bodě A je nulový.
Tedy U_R1 = j_A - j_S = U₁ - 0 = U₁ a proud

Proud i₀ je proud tekoucí odporem R₀. Je tedy roven i₀ = U_R0/R₀, kde U_R0 je napětí na rezistoru R₀. To je rovno rozdílu potenciálů ¤ mezi body S a O. Potenciál j_S v bodě S je roven nule. Potenciál j_Ov bodě O je roven U₀, protože U₀ je napětí mezi tímto bodem a zemí.
Tedy U_R0 = j_S - j_O = 0 - U₀ = -U₀ a proud

Mezi proudy i_S, i₁ a i₀ můžeme napsat následující vztah (1. Kirchhoffův zákon pro bod S): i_S+ i₁ = i₀. Protože i_S= 0, platí i₁ = i₀. Po dosazení z Ohmova zákona dostáváme vztah pro výstupní napětí U₀

Zesílení zesilovače je v tomto zapojení určeno podílem odporů použitých rezistorů. Znaménko mínus znamená, že výstupní napětí má opačnou fázi než vstupní napětí (obr. 2).

obr. 2: Příklad průběhů napětí na vstupu (U₁) a výstupu (U₀) operačního zesilovače zapojeného s invertujícím vstupem. Napětí mají opačnou fázi, poměr odporů rezistorů (tj. zesílení zesilovače v tomto zapojení) je 3.

DOMÁCÍ ÚKOL: Zpětnovazební odpor zesilovače je 10 kW, odpor ve vstupním odporu 3 kW. Vstupní napětí má průběh u₁ = 10cos(100p t + p /4). Jaký je průběh výstupního napětí?

DOMÁCÍ ÚKOL (dobrovolný): Odvoďte vztah pro zesílení zesilovače v zapojení s neinvertujícím vstupem. Řešení je zde.

Elektrická práce a výkon

Elektrický výkon ... P = UI = U²/R = RI², kde U je napětí na prvku, I je proud jím procházející.
Elektrická práce ... W = Pt = UIt, kde t je čas.

Efektivní hodnota střídavého napětí a proudu

Definice:
Efektivní hodnota střídavého proudu je hodnota proudu stejnosměrného, který v daném obvodu vykoná za stejný čas stejnou práci jako proud střídavý.

- střídavý obvod s rezistorem ... okamžitá hodnota výkonu p(t) = Ri²(t)

Plocha červeně ohraničeného obdélníka odpovídá dvojnásobné práci, kterou elektrický proud vykoná za čas T ... W = P_max.T/2.

Efektivní hodnota proudu je úměrná ploše pod křivkou výkonu, tedy čím bude tato plocha menší, tím menší bude efektivní hodnota proudu.

Příklady efektivních hodnot jiných než sinusových průběhů střídavých proudů:

Průběh střídavého proudu v závislosti na čase	Efektivní hodnota proudu
	obdélníkový průběh I_ef = I_max
	pilovitý průběh
	jednocestně usměrněný proud
	dvoucestně usměrněný proud bezeztrátově regulovaný

Regulace výkonu

Př: Máme zdroj střídavého napětí o efektivní hodnotě 10 V a chtěli bychom k němu připojit žárovku s údaji 10 V, 0,5 A. Jak ale zajistit, aby žárovka svítila méně (tlumené světlo)?

Žárovka připojena přímo ke zdroji - protéká jí proud I = U/R, kde U je napětí zdroje a R je odpor vlákna žárovky. Ten zjistíme z údajů na žárovce - R = 10/0,5 W = 20 W. Žárovka má výkon P = RI² = 20.0,5² = 5 W.

Chceme-li, aby žárovka svítila méně, musí jí procházet menší proud, například i = 0,3 A. Výkon žárovky pak bude P = Ri² = 20.0,3² = 1,8 W.

Zařadíme rezistor o vhodném odporu r sériově se žárovkou. Chceme-li, aby proud v obvodu byl i, platí i = u / (R+r), z toho je r = u/i - R = (10/0,3 - 20) W = 13 W

Na rezistoru r se v tomto případě mění elektrická práce na teplo. Výkon na rezistoru r je P = rI² = 13.0,3² W = 1,2 W, tedy každou sekundu dodá do okolí teplo 1,2 J. Takováto regulace je tedy ztrátová.

obr. 1

- využití v podstatě ve všech odvětvích elektrotechniky. Například elektrické lokomotivy s odporovou regulací mají na střeše nebo ve strojovně mohutné rezistory, které jsou za jízdy účinně chlazeny proudícím vzduchem. U starých tramvají se pro změnu teplo vzniklé na rezistorech používalo k vytápění vozů.

Celková práce W za čas T rovna "ploše pod křivkou výkonu" a průměrný výkon vypočteme jako P = W / T. Tedy čím menší je "plocha pod křivkou", tím menší je průměrný výkon spotřebiče. Jelikož okamžitý výkon p je roven součinu okamžitých hodnot napětí u a proudu i, je možno ho regulovat tak, že v obvodu nebude žádný rezistor navíc, ale proud obvodem poteče pouze po část periody (budu mít v obvodu spínač, který se bude periodicky spínat a rozepínat).

obr. 3: Časový průběh jednocestně usměrněného proudu v obvodu se spínačem. Spínač se periodicky spíná a rozepíná, když je rozepnut, proud neteče.

Plocha pod křivkou výkonu na obr. 5 je menší než na obr. 4 => průměrný výkon na obr. 5 je větší než na obr. 4. Připojíme - li žárovku do obvodu s průběhem proudu podle obr. 3, bude svítit méně než kdyby jí procházel proud stále.

Regulačním prvkem je zde tedy spínač, čili na něm by mohly nastávat ztráty. Ovšem je-li spínač rozepnut, je výkon na spínači roven nule, protože jím protéká nulový proud. Je-li spínač sepnut, je výkon na něm také nulový, protože má (alespoň ideální spínač) nulový odpor. Efektivní hodnota proudu a obvodu a tedy i výkon žárovky se snížil, ale nejsou žádné ztráty - regulace je bezeztrátová.

Praktické práce - stavba jednoduchého tranzistorového zesilovače a měření proudového zesilovacího činitele tranzistoru v zapojení se společným emitorem (schéma).

Není-li na řídící elektrodě G žádné napětí (proti katodě), je tranzistor 2 zavřený. Proto má velký odpor a je na něm celé napětí zdroje => žádné napětí "nezbude" na tranzistor 1 => ten je také zavřený.

Přiložíme-li na G napětí, tranzistor 2 se otevře (teče proud do jeho baze - viz princip tranzistoru) a tím může procházet proud i bazí tranzistoru 1 a ten se také otevře. I když bychom teď odstranili napětí na G, proud bude tranzistory procházet dále - oba se navzájem podporují v otevřeném stavu. Proud přestane procházet až teprve při poklesu proudu mezi A a K na nulu nebo na určitou hodnotu tzv. přídržného proudu (danou typem tyristoru).

Tyristor se tedy otevře krátký impulsem do řídící elektrody (pokus). Máme-li střídavý proud, stačí ve vhodném okamžiku periody vyrobit tento spouštěcí impuls a tyristor propouští proud jen po část periody.

Tyristor se používá pro bezeztrátovou regulaci výkonu. Jeho použití je zejména vhodné v obvodech střídavého napětí, neboť každý průchod napětí nulou automaticky vypne tyristor a ten čeká na další zapnutí. Jediné, co je zapotřebí k regulaci výkonu pomocí tyristoru, je zařízení, které ”vyrobí” spouštěcí puls do řídící elektrody tyristoru ve vhodné fázi periody střídavého napětí.

Tyristorová regulace výkonu je značně rozšířená. Jde například o regulaci svitu žárovek, vrtačky s regulací otáček, svářečky, moderní tramvaje nebo elektrické lokomotivy.

Rádiové a televizní vysílání

Rozhlasový a televizní signál se přenáší na dálku jako elektromagnetické vlnění. Zvuková informace se namoduluje na nosnou vlnu, která má mnohem vyšší frekvenci (řádově stovky kilohertzů a více), přenáší se prostorem a v přijímači se pak demodulací opět vytvoří zvuková vlna.

Amplitudová modulace AM

Jedna z nejčastěji užívaných druhů modulace. Používá se pro vysílání rozhlasu v pásmu dlouhých, střední a krátkých vln a pro přenos obrazového signálu televize.

Máme nosnou vlnu s vysokou frekvencí. Její amplitudu modulujeme naším užitečným signálem takto:

Frekvence modulované vlny je stálá, amplituda se mění - skrývá v sobě užitečný signál.

Frekvenční modulace FM

Informace, kterou chceme přenášet, se kóduje do okamžitého kmitočtu (frekvence) nosné vlny. Signál má pak proměnnou frekvenci, není tedy už periodický. Amplituda signálu je stálá.

Frekvenční modulace se využívá v rozhlasovém přenosu jen na velmi krátkých vlnách, tj. v pásmu okolo 100 MHz (kmitočet nosné).