Fyzika vedení proudu ve vakuu a v pevné fázi, pásový diagram, polovodiče

Transkript

1 Fyzika vedení proudu ve vakuu a v pevné fázi, pásový diagram, polovodiče Vakuum neobsahuje nabité částice; elektrický proud vakuuem neprochází.průchod elektrického proudu vakuem je umožněn vznikem nositelů náboje na elektrodách; tzn. aby vznikl proud ve vakuu, je nezbytně nutné uvolnit elektrony z katody. Tok elektronů ve vakuu má velký praktický význam. Jeho použití v různých elektronických zařízeních spočívá na těchto okolnostech: Elektrony mají nepatrnou hmotnost, a proto mají ze všech částic největší měrný náboj, takže i při slabých magnetických nebo elektrických polích získávají značnou rychlost na poměrně krátké dráze.jsou prakticky bez setrvačnosti. Přenos náboje není u nich prakticky spojen s přenosem látky. Elektrony lze snadno získat rozmanitými způsoby uvolňováním z kovů. Vysvětleme zjednodušeně princip vzniku volných elektronů a vedení ve vakuu: V každém kovovém vodiči se neuspořádaně pohybují záporně nabité volné elektrony a za obvyklých podmínek se pohybují jen uvnitř vodiče. Jestliže však vodič zahřejeme na dostatečně vysokou teplotu, získají některé elektrony takovou rychlost, že přemohou vnitřní přitažlivé síly a vyletují z vodiče do okolního prostoru. Tento jev se nazývá termoemise neboli termická emise nebo tepelná emise elektronů a vyletující elektrony se nazývají emitované elektrony. Termoemisí se ovšem původně elektroneutrální vodič stává kladně nabitý, převážná část emitovaných elektronů je neustále přitahována a vrací se zpět na povrch vodiče, a tím vznikne v jeho okolí tzv. elektronový mrak. Elektronky Elektronka je baňka, z níž byl vyčerpán vzduch na méně než 0,01 Pa, záporná elektroda je připojená na záporný pól a kladná elektroda připojená na kladný pól zdroje stejnosměrného napětí; žhavicím vláknem lze zahřívat zápornou elektrodu. Je-li žhavicí vlákno chladné, pak obvodem s miliampérmetrem proud neprotéká, protože vakuum v baňce je dokonalý izolant. Jestliže vlákno rozžhavíme, zahřeje se na vysokou teplotu i záporná elektroda, termoemise vzroste, od záporné elektrody ke kladné elektrodě se začne pohybovat podstatně vyšší počet emitovaných elektronů, a tím vzroste i proud zaznamenaný miliampérmetrem. Podle způsobu žhavení katody rozeznáváme elektronky přímo žhavené a elektronky nepřímo žhavené. V přímo žhavených elektronkách prochází žhavicí proud přímo katodou, která se rozžhaví a emituje elektrony. Katoda takovéto elektronky je zhotovena například z těžkotavitelného kovu wolframu a je žhavena stejnosměrným proudem. V nepřímo žhavených elektronkách prochází žhavicí proud wolframovým vláknem, které je izolovaně zasunuto do kovové trubičky, a teprve tato trubička tvoří katodu, z níž se po nepřímém zahřátí emitují elektrony. Katody těchto elektronek jsou zhotovovány například z niklového plechu a jsou pokryty vrstvičkou oxidů různých kovů. Elektronka se dvěma elektrodami se nazývá dioda. Dioda se užívala jako usměrňovač střídavého proudu, neboť propouští proud pouze jedním směrem. Význam diod jako usměrňovačů je spíše historický; byly nahrazeny polovodičovými diodami. Trioda má tři elektrody (katodu, anodu, mřížku). Malými změnami mřížkového napětí můžeme podstatně měnit velikost anodového proudu. Proto se trioda užívala jako zesilovač; byla nahrazena polovodičovou součástkou tranzistorem.

2 K různým účelům byly vyráběny elektrony s více elektrodami, např. pentoda se třemi mřížkami Vedení proudu v pevné fázi Elektrický proud v pevných látkách může protékat, ale nemusí. Důležitou podmínkou vedení elektrického proudu je přítomnost volných částic s elektrickým nábojem. Pevné látky se podle schopnosti vést elektrický proud dělí na vodiče, izolanty a polovodiče. Elektrický vodič je látka, která vede elektrický proud. Elektrický vodič musí obsahovat volné částice s elektrickým nábojem, nejčastěji elektrony, příp. kladné nebo záporné ionty. V elektrotechnice se slovem vodič také rozumí vodivý drát, kabel, pásek nebo lanko, které se použijí pro vodivé propojení součástek v elektrickém obvodu Podle mechanismu vedení elektrického proudu dělíme vodiče na 2 skupiny : vodiče 1. řádu (kovy a uhlík ve formě grafitu) El. proud přenáší volné elektrony. Vodiče se při průchodu el. proudu chemicky nemění vodiče 2. řádu (roztoky a taveniny = elektrolyty) Proud přenášejí el. nabité částice zvané ionty. Jejich pohybem dochází k přenosu hmoty a chemickým změnám. Ionty jsou proti elektronům větší, jejich pohyblivost je menší, takže i vodivost je nižší. Schopnost vodiče vést elektrický proud vyjadřuje veličina elektrická vodivost, což je převrácená hodnota elektrického odporu. Jednotkovou vodivost látky (vodivost 1 m vodiče o průřezu 1 m²) udává veličina konduktivita látky, převrácenou hodnotou (jednotkový odpor vodiče) udává veličina rezistivita látky. Vodivost G, resp. odpor R vodiče lze z jeho vlastností vypočítat podle vztahu resp. kde σ je konduktivita vodiče, ρ je rezistivita vodiče, S je obsah průřezu vodiče, l je délka vodiče. Vodivost, resp. odpor vodičů závisí na teplotě. S rostoucí teplotou klesá vodivost, resp. stoupá odpor vodičů Elektrický izolant je látka, která nevede elektrický proud. Elektrický izolant neobsahuje volné částice s elektrickým nábojem, nebo je obsahuje v zanedbatelném množství. Zamezuje průtoku elektrického proudu mezi vodiči, které mají rozdílný elektrický potenciál. Dobrými izolanty jsou porcelán, sklo, většina plastů, dřevo, papír, za normálních podmínek i vzduch nebo jiné plyny. Často se zaměňují pojmy izolant a dielektrikum. Dielektrikum je izolant, který má schopnost polarizace, kdežto izolant samotný tuto možnost nemá. Vzhledem k atomové struktuře všech běžných látek a díky polarizovatelnosti atomu je (s výjimkou vakua) tento rozdíl spíše teoretický. Polovodič je pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se změnou těchto podmínek snadno ovlivnit. Změna vnějších podmínek znamená dodání některého z

3 druhů energie nejčastěji tepelné, elektrické nebo světelné, změnu vnitřních podmínek představuje příměs jiného prvku v polovodiči. Mezi polovodiče patří prvky křemík, germanium, selen, sloučeniny arsenid galia GaAs, sulfid olovnatý PbS aj. Většina polovodičů jsou krystalické látky, existují však také polovodiče amorfní (některá skla). Pásový diagram Pokud máme spoustu atomů v mřížce, pak u nich může docházet k překryvu jejich valenčních orbitalů a tím vzniká souvislý kontinuální pás energií. Vychází se z teorie MO LCAO, kdy lineární kombinací atomových orbitalů vzniká stejný počet molekulových orbitalů, které jsou buď vazebné (bonding), nevazebné nebo protivazebné (antibonding). Velkým množstvím překryvů těchto orbitalů dochází ke vzniku diskrétních energetických pásů, které se dělí na valenční, zakázaný a vodivostní pás. Elektrony lokalizované ve valenčním pásu mohou přecházet do pásu vodivostního, pokud překonají energetickou bariéru, kterou udává šířka zakázaného pásu. Tato energie, E(g), se udává v elektronvoltech. Pro kovy je úměrná nule (= vodiče), pro polokovy je menší než 3 ev (= polovodiče) a u nekovů je zakázaný pás nejširší, E(g) > 5 ev (= izolanty = dielektrika). Aby byl tedy polokov vodivý, pak je nutné překonat energii E(g) zakázaného pásu a to například dodáním tepelné energie, elektrické energie či elektromagnetické ( = světelné) energie. Šířku E(g) lze snižovat rovněž příměsovými částicemi, a pak vznikají polovodiče typu P (bór v křemíku) nebo typu N (fosfor v křemíku). Celý proces je ovšem mnohem složitější a vychází z kvantové mechaniky. Polovodiče Měrný odpor polovodičů je mnohem větší než měrný odpor kovů, ale menší než měrný odpor izolantů. Vodivost polovodičů značně závisí na teplotě a na osvětlení. Nejvýznamnějším polovodičem je křemík, dále pak germanium, selen, fosfor, arzen a řada dalších. Uplatňují se jako základní materiály pro konstrukci polovodičových součástek. Elektrické vlastnosti polovodičů můžeme vysvětlit na základě vlastností jejich krystalové mřížky. Například křemík je čtyřmocný (má 4 valenční elektrony) a jeho atomy jsou uspořádány v krystalové mřížce. Při nízkých teplotách jsou valenční elektrony silně poutány v atomech, křemík proud nevede. Při zahřátí se rozkmit atomů v krystalové mřížce zvětší a dochází k uvolňování valenčních elektronů. Opustí-li elektron svou valenční slupku (obr. 6.7), objeví se místo, kde chybí záporný náboj. Toto prázdné místo se nazývá díra a chybějící záporný náboj se navenek projeví jako náboj kladný. Do díry může přeskočit elektron z jiného atomu a doplnit chybějící záporný náboj. Kladná díra se tak objeví na místě, odkud elektron přeskočil. Vypadá to tedy tak, jako by díry putovaly v krystalové mřížce křemíku z místa na místo. Obr. 6.8 Připojíme-li k popisovanému polovodiči zdroj napětí, začnou se záporné elektrony přesouvat ke kladnému pólu, kladné díry k pólu zápornému a nastane usměrněný pohyb volných elektrických nábojů. Elektrický proud v polovodičích je způsoben usměrněným pohybem uvolněných elektronů a děr na rozdíl od kovů, kde

4 elektrický proud vedou jen volné vodivostní elektrony. Právě popsaná vodivost se nazývá vlastní vodivost polovodičů. V technické praxi mají největší využití tzv. nevlastní polovodiče, jejichž krystalová mřížka byla záměrně znečištěna nepatrným množstvím příměsí. Vhodným výběrem příměsi můžeme dosáhnout toho, aby v polovodiči byl elektrický proud veden buď pouze volnými elektrony (elektronová vodivost, negativní vodivost, vodivost typu N), nebo pouze děrami (děrová vodivost, pozitivní vodivost, vodivost typu P). Vodivost typu N (negativní) As Příměsí (donorem dárcem) v krystalové mřížce křemíku mohou být v tomto případě atomy pětimocného prvku, např. arzenu (obr. 6.9). Jejich čtyři valenční elektrony se účastní vazeb s atomy křemíku. Pátý valenční elektron se již v chemické vazbě neuplatní a již při nízkých teplotách je prakticky volný a využitelný k vedení elektrického proudu. Vodivost typu P (pozitivní): Obr. 6.9 Příměsí (akceptorem příjemcem) v krystalové mřížce křemíku mohou být v tomto případě atomy trojmocného prvku, např. india (obr. 6.10). K vazbě s atomy křemíku jsou k dispozici pouze tři valenční elektrony, takže v místě nenasycené vazby vznikne díra s kladným nábojem. Tuto díru může při připojení polovodiče ke zdroji elektrického napětí zaplnit elektron z některé jiné vazby díra se v krystalu přesune na jeho místo. In K nevlastní vodivosti křemíku stačí i nepatrné množství příměsi stačí, aby na 100 milionů atomů křemíku připadl jediný atom příměsi! Proto je technologie výroby polovodičů požadovaných vlastností velmi náročná. Polovodičová dioda Obr Spojíme-li polovodič typu P a polovodič typu N, vznikne tzv. přechod PN. Přechodem PN se nazývá oblast styku dvou polovodičů s opačným typem vodivosti. Přechod PN má tu vlastnost, že propouští elektrický proud pouze v jednom směru. Vysvětlení spočívá v tom, že polovodič typu N obsahuje ve své krystalové mřížce volně pohyblivé záporné elektrony, polovodič typu P má v krystalové mřížce volně pohyblivé kladné díry. N N Obr P P K přechodu PN není připojen zdroj napětí (obr. 6.11) V oblasti styku obou polovodičů se část elektronů z oblasti N dostane do oblasti P a část děr z oblasti P přejde do oblasti N. I = 0 I = 0 Obr. 6.12

5 Volné elektrony rekombinují s děrami ( naskáčou do děr ), takže kolem přechodu PN se vytvoří nevodivá oblast bez volných nábojů (na obrázku vyznačena šedou barvou). Přechod PN je zapojen v závěrném směru (obr. 6.12) Připojíme-li k polovodiči P záporný pól a k polovodiči N kladný pól zdroje, vzdalují se působením elektrických sil volné náboje od přechodu PN, oblast bez volných nábojů se rozšíří, její odpor vzroste a elektrický proud přechodem PN nemůže procházet. Nevodivé oblasti bez volných nábojů říkáme hradlová vrstva. N I I P I Přechod PN je zapojen v propustném směru (obr. 6.13) Změníme-li polaritu připojeného zdroje, přecházejí působením elektrických sil volné elektrony přes přechod PN ke kladnému pólu a díry jsou přitahovány k zápornému pólu. Výsledkem je zúžení hradlové vrstvy a zmenšení jejího odporu. Takto zapojeným přechodem PN proud prochází. Obr Popsaný jev, při kterém závisí odpor přechodu PN na polaritě připojeného zdroje, nazýváme diodový jev. Prvek s jedním přechodem PN je nejjednodušší polovodičovou součástkou polovodičovou diodou. Polovodič P je připojen ke kladné elektrodě (svorce zdroje) nazývané anoda, polovodič N je připojen k záporné elektrodě nazývané katoda. Polovodičové diody se používají k usměrnění střídavého proudu. Jinou možností je použití polovodičové tzv. LED diody k osvětlovacím účelům. Zkratka LED znamená v angličtině light emited diode tedy česky světlo vyzařující dioda. Na přechodu PN této diody dochází k přímé přeměně elektrické energie na energii světelnou. Barva světla závisí na materiálu diody a jeho úpravě. Původně byla LED dioda jen velmi slabě zářící zdroj světla a používala se např. k osvětlení palubních desek. Vývoj přinesl značné zvýšení jejich svítivosti, takže dnes jsou používány v mnoha oblastech života i techniky. Obrovskou výhodou LED diod je jejich dlouhá životnost a úspora elektrické energie. Je možné, že se tak stanou světelnými zdroji budoucnosti.

6 Pasivní a aktivní elektronické součástky!pouze DOPLNĚNÍ K VÝPISKŮM! Trimr je pasivní součástka, jejíž hodnotu lze měnit, ale obvykle není přístupná uživateli zařízení, v němž je vestavěna. Obvykle se tak označuje rezistor (odporový dělič se třemi vývody), ale existuje i kapacitní trimr. V principu se jedná o stejný typ součástky, jako je potenciometr nebo proměnný kondenzátor, ale většinou se jedná o miniaturizovanější provedení, s podstatně menší mechanickou životností. Provádí se jím nastavení parametrů zařízení při výrobě nebo údržbě. Potenciometr je elektrotechnická součástka, která slouží jako regulovatelný odporový napěťový dělič. Používá se k přímému řízení elektronických zařízení (například audio a video technika), někdy též jako snímač. Nejjednodušší potenciometr se skládá z odporové dráhy, po níž se ovládacím prvkem pohybuje jezdec. Pokud je tento jezdec na otáčivé ose, mluvíme o otočném potenciometru, pokud je jezdec posuvný lineárně, mluvíme o tahovém potenciometru. Reostat Reostat je nastavitelný nebo alespoň přepínatelný rezistor. Realizovaný bývá: nejčastěji jako sada rezistorů s mnohapolohovým přepínačem. posuvný rezistor, drátový odporník navinutý na izolačním tělese a s posuvným jezdcem. použití Je obvykle určen k nastavení větších výkonů: Od 1 W více. Dnes se s ním setkáme jen v laboratořích nebo u historických strojů, protože byl z praktického nasazení téměř všude vytlačen polovodičovými prvky: Základní nevýhodou reostatů je velký mařený výkon. Typickým místem nasazení reostatu bylo nastavení budících i napájecích proudů stejnosměrných elektromotorů. Klikou reostatu byly například ovládány staré tramvaje.

7 Tlumivka je cívka ve tvaru válce nebo prstence (toroidu) určená k blokování (vysoké reaktanci) signálů nějaké frekvence v elektrickém obvodu, zatímco signály daleko nižších frekvencí a stejnosměrný proud propouští s malým odporem (rezistancí). V ose cívky bývá uloženo feromagnetické jádro (tlumivka se železem), pak má nelineární charakteristiku. Nebo je bez feromagnetického jádra (vzduchová tlumivka), pak má lineární charakteristiku. Transformátor je elektrický netočivý stroj, který umožňuje přenášet elektrickou energii z jednoho obvodu do jiného pomocí vzájemné elektromagnetické indukce. Používá se většinou pro přeměnu střídavého napětí (např. z nízkého napětí na vysoké) nebo pro galvanické oddělení obvodů. Základní princip transformátoru Transformátor je měnič střídavého proudu. Skládá se ze tří hlavních částí: vinutí, magnetický obvod, izolační systém. Primární vinutí slouží k převodu elektrické energie na magnetickou. Procházejícím proudem se vytváří magnetický tok Φ *Fí+. Tento tok je veden magnetickým obvodem (jádrem) k sekundární cívce. Tj., účelem magnetického obvodu většiny transformátorů je zajistit, aby co nejvíce magnetických siločar procházelo zároveň primární a sekundární cívkou. V sekundární cívce se na principu Faradayova indukčního zákona (Zákon elektromagnetické indukce indukuje elektrické napětí. Proto transformátor pracuje jen na střídavý nebo pulsující proud, protože u stejnosměrného je derivace konstanty nulová a na sekundárním vinutí nevzniká žádné napětí. Dosadíme-li do inkukčního zákona dvakrát veličiny primárního a sekundárního vinutí s uvažováním, že magnetický tok je identický pro obě cívky a s uvažováním zákona zachování energie dostaneme rovnici idelálního tranformátoru (bez ztrát): kde U1 je napětí na primární cívce, I1 je proud primární cívkou, N1 je počet závitů primární cívky. Indexem 2 jsou značeny veličiny sekundární cívky. Písmeno p značí převod transformátoru při p > 1 jde o snižující transformátor a při p < 1 je transformátor zvyšující.

8 Základní prvky výkonové elektroniky, usměrňovače, frekvenční měniče Výkonová elektronika je na rozdíl 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. Výkonová elektronika se zabývá silovými polovodičovými součástkami, které jsou schopné spínat velké proudy při vysokých napětích, t.j. jsou schopné spínat vysoké výkony. výkonová dioda tyristor FET a MOSFET tranzistory IGBT triak varistor Výkonová dioda 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. 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. Tyristor je polovodičová součástka sloužící ke spínání elektrického proudu (nejčastěji výkonových obvodů), fungující jako řízený elektronický ventil. Tyristor je čtyřvrstvá spínací součástka (obvykle PNPN), která nevykazuje usměrňující účinky jako dioda, avšak je možné ji ovládat (spínat) pomocí impulsu do řídicí elektrody G (Gate). Anoda (A) a katoda (K) se v obvodu nesmí zaměnit, zátěž je vždy připojena k anodě.

9 Jedná se o velice účinný nástroj pro řízení velmi výkonných elektrických strojů. V moderních elektrických lokomotivách se používá nejčastěji pro pulzní regulaci výkonu trakčních motorů pro stejnosměrný proud. K regulaci výkonu asynchronních motorů se používají vyspělejší zařízení IGBT. Zapnutí Krátkodobým proudovým pulsem do řídicí elektrody G (Gate). Překročením kritické hodnoty anodového napětí dojde k průrazu druhého PN přechodu. (Tento způsob je obvykle nežádoucí.) Rychlým nárůstem anodového napětí, tj. nadkritickou strmostí UAK (S = ΔU/Δt = i/c). Při velké strmosti se vyvolá velký proud I přes přechod, který dále vyvolá lavinovou ionizaci krystalové mřížky a tím uvede tyristor do sepnutého stavu. Tento způsob sepnutí byvá většinou nežádoucí a je nutno mu předejít například tlumivkou nebo jiným zpomalovacím členem. Teplotou při určitém napětí UAK. (Také většinou nežádoucí.) Osvětlením druhého (PN) přechodu, takto pracuje fototyristor. (Radioaktivním zářením, při kterém sepne každý polovodič.) Vypnutí Přerušením anodového proudu. Komutací anodového napětí (přepólování). U střídavých proudů se tak děje automaticky v každé záporné půlvlně, ve stejnosměrných obvodech je nutno použít komutační zařízení (viz Komutátor (elektrotechnika)). Zkratem mezi anodou (A) a katodou (K). Triak je polovodičový spínací prvek schopný vést elektrický proud oběma směry. Vlastnosti triaku přibližně odpovídají vlastnostem dvou antiparalelně zapojených tyristorů, u kterých jsou řídicí elektrody propojeny v jednu. Triaky jsou konstruovány pro běžná napětí v rozvodných sítích a pro proudy do několika ampérů. Typické použití je v regulaci domácího osvětlení, otáček praček, vrtaček a podobných nízkovýkonových elektrických spotřebičů. Hlavní výhodou je jednoduché zapojení do elektrických obvodů. Popis funkce Pro sepnutí triaku musí být na hlavních elektrodách dostatečně velké napětí a do řídicí 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 řídicí elektrody.

10 Pokud triakem neprotéká žádný proud a hodnota proudu na řídicí elektrodě je nižší než hodnota spínacího proudu, triak se ihned uzavře (rozepne) Varistor Jsou to tělíska vyrobená z karbidu křemíku a opatřená na protilehlých stranách přívodními elektrodami. Jejich elektrický odpor se při vyšším přiloženém napětí zmenšuje, protože závislost procházejícího proudu na přiloženém napětí je dána vztahem: U = CIβ kde U je napětí na varistoru ve voltech, I proud procházející varistorem vyjádřený v ampérech, C součinitel, který je roven napětí, při kterém by varistorem protékal proud 1 A a má rozměr *VA-β+, β exponent, číselně rovný směrnici přímky, získané logaritmováním výše uvedené rovnice. Varistory lze využít pro stabilizaci napětí nebo k ochraně kontaktů relé před jiskřením. Jelikož elektrický odpor varistorů závisí na přiloženém napětí, nedochází k žádnému zpoždění a tento jev není v oblasti technických a zvukových kmitočtů kmitočtově závislý. Varistory mají poměrně velkou hmotu a proto dobře snášejí impulsové zatížení a propouštějí krátkodobě i velké proudy bez poškození. Diak Diak se symetrická součástka se dvěma PN přechody. Jeho struktura je na obr. 1. Při zapojení diaku do obvodu je vždy jeden PN přechod v propustném a jeden v závěrném směru. Přechod v propustném směru má o mnoho menší elektrický odpor než přechod v závěrném směru. Na přechodu v závěrném směru je tedy větší napětí (prakticky celé napětí na diaku). V okamžiku, kdy napětí dosáhne hodnoty průrazného napětí, se přechod stává vodivým - diak je v sepnutém stavu. Toto průrazné (spínací) napětí je obvykle 24 V - 48 V. I v sepnutém stavu má diak poměrně značný odpor - několik kiloohmů.

11 Usměrňovače Usměrňovač je elektrické zařízení, které se používá k přeměně střídavého elektrického proudu na proud stejnosměrný. Protože elektronické obvody ke své činnosti obvykle potřebují stejnosměrný proud a k distribuci elektrické energie se využívá proud střídavý, bývá usměrňovač součástí většiny elektrických přístrojů a zařízení spotřební elektroniky, napájených z elektrické sítě. Usměrňovače se také v hojné míře používají v napájecích soustavách elektrických trakčních vozidel ( kupř. pro pohon lokomotiv, tramvají, trolejbusů či vozů metra ). V současnosti se používají téměř výhradně polovodičové usměrňovače na bázi křemíku, kterými byla ostatní zařízení prakticky vytlačena, i když není vyloučeno že vzniknou nová zařízení založená na silikon-karbidu, jehož předpokládanou výhodou je možnost provozu při vyšší teplotě. Obecně mohou být realizovány usměrňovače: polovodičové (křemíkové, germaniové, selenové, ) elektronkové rtuťové V současné době se používají téměř výhradně usměrňovače křemíkové. Zapojení neřízeného usměrňovače: Jednocestný usměrňovač Zapojení usměrňovače je velmi jednoduché, obsahuje pouze jednu diodu. Dioda propustí pouze kladnou, respektive zápornou půlvlnu v závislosti na polaritě zapojení. Výstupní napětí je ještě sníženo o otvírací napětí přechodu PN, což muže znamenat významné zhoršení účinnosti nebo dokonce nulové výstupní napětí v případě vstupního napětí s nízkou amplitudou. Dvoucestný usměrňovač Na rozdíl od jednocestného, dvojcestný usměrňovač usměrňuje obě půlvlny. Existují dvě principiálně odlišná zapojení. Výstupní napětí má oproti jednocestnému usměrňovači nižší úroveň zbytkové střídavé složky. Pokud je usměrňovač připojen na transformátor s dvojitým sekundárním vinutím, je možné jej realizovat pomocí dvou diod.

12 Nejpoužívanějším typem dvoucestného usměrňovače je. Jde o zapojení využívající čtyři diody v můstkovém zapojení. Frekvenční měnič Měnič kmitočtu (nebo také měnič frekvence, často nesprávně nazývaný frekvenční měnič) je zařízení, které slouží k přeměně elektrického proudu s určitým kmitočtem na elektrický proud s jiným kmitočtem. Dříve se realizoval jako rotační měnič, dnes se používají spíše elektronické obvody a moderní výkonové polovodičové součástky. Z nich je vytvořen usměrňovač a střídač, případně další řídící a stabilizační elektronika. Velmi častým důvodem k nasazení frekvenčního měniče bývá potřeba plynulá regulace otáček asynchronního elektromotoru. Dříve se ke změně otáček elektromotoru používalo Ward Leonardovo soustrojí (pohon dynamo stejnosměrný motor).

13 Základní obvody pro analogové zpracování signálů Pasivní obvody filtry Potlačují nebo zvýrazňují určité složky signálu rezonanční obvody Vznikne paralelním nebo sériovým spojením kondenzátoru a cívky. Při jedné, tzv. rezonanční frekvenci se v tomto obvodu vyrovnává kapacitní a induktivní reaktance a rezonanční obvod se pro tuto frekvenci chová jako činný odpor. Stav obvodu který nastane při rezonanční frekvenci se nazývá rezonance. Je to jev, při kterém se v obvodu při určitém kmitočtu podstatně zvětší proud u sériového obvodu nebo se podstatně zvětší napětí u obvodu paralelního. Sériový rezonanční obvod má při rezonančním kmitočtu nejmenší impedanci. Paralelní rezonanční obvod má při rezonančním kmitočtu největší impedanci. Obvod má při této frekvenci pouze činný odpor. Aktivní obvody zesilovače Elektronické zařízení, které je schopno transformací elektrické energie z vnějšího napájecího zdroje měnit parametry vstupního signálu. Obvykle zesilovač slouží především k zesílení amplitudy signálu, nebo jeho úrovně (u stejnosměrných zesilovačů), na požadovanou hodnotu. Používá se ale i v zapojeních, kde je potřeba změnit tvar signálu a podobně. Obvykle udávanými parametry jsou u nich zisk, šířka zesilovaného pásma a zkreslení. Dělí se podle zapojení tranzistorů: - se společným editorem SE - se společnou bází SB - se společným kolektorem SC operační zesilovače Univerzální stejnosměrný zesilovací analogový elektronický obvod. Operační zesilovač je často v praxi a pro výpočty nahrazován ideálním operačním zesilovačem. Původně byly z elektronek a sloužily k výpočtu matematických operací. Dnes jako integrované obvody konstruované jak z bipolárních tranzistorů, tak z unipolárních MOSFET tranzistorů. Základní logické členy Kombinační číslicové obvody Sekvenční číslicové obvody viz skripta z Elektroniky.