1. Lineární součástky

• Rezistor - vlastnosti, výpočet odporu z geometrických rozměrů, chování ve střídavém el. proudu , druhy, řazení
• Kondenzátor - výpočet kapacity, řazení, chování v proudu, druhy
• Cívka - chování ve střídavém el proudu
• Polovodič - P, N, PN přechod
• Dioda - VA charakteristika, propustný - závěrný směr, druhy

---

1. Rezistor

• Jsou pasivní součástky určené k omezení proudu nebo vytvoření úbytku napětí.
• Veškerý úbytek napětí na rezistoru se přemění na teplo.
• Vyrábí se v různých řadách (E12, E24…)
• S různým ztrátovým výkonem (0,4..1..2..10W)
• S různou tolerancí (10%, 5%,1%…)
• V některé velikosti nejsou značené hodnoty pomocí barevného čárkového kódu.
• V některých případech může sloužit “rezistor” jako topení. (Vařič, topná spirála v ohřívači vody…)

Přehledová tabulka rezistorů

• 1.1 Výpočet odporu z geometrických rozměrů

  • $\mathbf{R}=\mathbf{\rho }\cdot \frac{\mathbf{l}}{\mathbf{S}}$
  • $\rho$ - měrný odpor
  • l - délka vodiče
  • S - průřez

• 1.2 Rezistor ve střídavém obvodu

  • Pro střídavý proud v obvodu platí Ohmův zákon stejně jako pro proud stejnosměrný.
  • Odpor R rezistoru v obvodu střídavého proudu je stejný jako v obvodu stejnosměrného proudu a nazývá se také rezistance.
  Průběh napětí a proudu rezistorem ve střídavém obvodu

  

  Fázory rezistoru

---

2. Kondenzátor

Přehledová tabulka kondenzátorů

• 2.1 Výpočet kapacity

  • $\mathbf{C}=\mathbf{\epsilon }\cdot \frac{\mathbf{S}}{\mathbf{d}}$
  • $\epsilon$ - permitivita dielektrika
  • S - plocha desek
  • d vzdálenost mezi deskami.

• 2.2 Kondenzátor ve střídavém obvodu

  • 2.2.1 Výpočet kapacitní reaktance

    • ${\mathbf{X}}_{\mathbf{C}}=\frac{1}{2\mathbf{\pi fC}}$

    • Reaktance kondenzátoru s rostoucím kmitočtem klesá

  • Na ideálním kondenzátoru předbíhá proud napětí o 90°.
  • Na kondenzátoru ve střídavém obvodu platí Ohmův zákon.
  • Dochází k jeho periodickému nabíjení a vybíjení. Dielektrikem mezi deskami kondenzátoru vodivostní proud neprochází - mění se jen intenzita elektrického pole a dielektrikum se střídavě polarizuje.
  • Kondenzátor klade proudu odpor zvaný kapacitní reaktance (kapacitance) Xc.
  • Nabíjecí proud kondenzátoru je největší v okamžiku, kdy je kondenzátor nenabitý, tj. napětí mezi jeho deskami je nulové. Naopak v okamžiku, kdy je kondenzátor nabit na napětí je proud v obvodu nulový.

  

  Průběh napětí a proudu kondenzátorem ve střídavém obvodu

  

  Fázory kondenzátoru

---

3. Cívka

• Indukčnosti jsou pro nás nejen součástky pro elektroniku, ale patří sem např. vynutí motorů, transformátorů nebo ovládací cívky relátek a stykačů.
• Pokud bychom chtěli uvažovat i její odpor, je nutné na cívku nahlížet jako na sériové spojení ideální cívky a rezistoru s odporem rovným ohmickému odporu cívky.
• Na cívce předbíhá napětí proud o 90°.
• Střídavý proud procházející vinutím cívky vytváří proměnné magnetické pole. Tím se v cívce indukuje napětí, které má podle Lenzova zákona opačnou polaritu než zdroj napětí. Následkem toho proud v obvodu nabývá největší hodnoty později než napětí

Průběh napětí a proudu cívkou ve střídavém obvodu

Fázory cívky

• 3.1 Výpočet induktivní reaktance

  • ${\mathbf{X}}_{\mathbf{L}}=2\mathbf{\pi fL}$
  • (X_L) - induktivní reaktance
  • (f) - frekvence střídavého proudu
  • (L) - indukčnost cívky

---

4. Polovodič

• 4.1 Nevlastní polovodič

  • Volné elektrony, respektive kladné díry, lze do čistého polovodiče dodat cíleným přidáním příměsí. I velmi malé množství příměsi (tisíciny procenta) může vést k obrovskému nárůstu vodivosti. Této vodivosti říkáme nevlastní vodivost. Přidávané příměsi se nazývají dopanty (nejčastěji se používají prvky jako bór, fosfor, arzen nebo antimon).

  • Vlastní vedení elektrického proudu v čistém křemíku

    • Atom křemíku má ve své vnější (valenční) vrstvě 4 elektrony. V krystalové mřížce je každý atom vázán s dalšími čtyřmi sousedními atomy pomocí sdílení těchto elektronů (tzv. kovalentní vazba). Při teplotě absolutní nuly (0 K) neexistují v mřížce žádné volné nosiče náboje a křemík se chová jako dokonalý izolant.
    • Při pokojové teplotě se však díky tepelné energii některé vazební elektrony uvolňují. Po uvolněném elektronu zůstává ve vazbě prázdné místo, tzv. díra, která se chová jako kladně nabitá částice. S rostoucí teplotou počet těchto uvolněných párů (elektron-díra) stoupá.
    Krystalová mřížka křemíku – vznik volného elektronu a díry vlivem teploty

• 4.2 Polovodič typu N (Negativní)

  • Majoritními (převažujícími) nosiči náboje jsou zde volné elektrony. Minoritními nosiči jsou kladné díry (vznikají pouze vlivem teploty a je jich minimum).
  • Vzniká tak, že do čistého křemíku (Si, 4 valenční elektrony) přidáme příměs s 5 valenčními elektrony (tzv. pětivazný prvek – fosfor, arsen nebo antimon).
  • Tomuto atomu příměsi říkáme DONOR (dárce), protože krystalové mřížce “daruje” jeden elektron.
  • Princip: Čtyři valenční elektrony příměsi (např. arsenu) vytvoří pevné kovalentní vazby se čtyřmi sousedními atomy křemíku. Pátý elektron se do vazby nevejde, je k atomu vázán jen velmi slabě a při běžné teplotě se okamžitě uvolní. Stává se z něj volný elektron, který se podílí na vedení elektrického proudu. (Poznámka: Z atomu donoru se po uvolnění elektronu stane kladný iont, který je pevně zabudovaný v mřížce a je nepohyblivý).
  Krystalová mřížka polovodiče typu N – atom donoru uvolňuje pátý elektron

• 4.3 Polovodič typu P (Pozitivní)

  • Majoritními (převažujícími) nosiči náboje jsou zde kladné díry. Minoritními nosiči jsou volné elektrony.
  • Vzniká tak, že do čistého křemíku (Si, 4 val. elektrony) přidáme příměs se 3 valenčními elektrony (tzv. trojvazný prvek – bór, hliník, indium, gallium).
  • Tomuto atomu příměsi říkáme AKCEPTOR (příjemce), protože má tendenci jeden elektron z krystalové mřížky “přijmout”.
  • Princip: Tři valenční elektrony příměsi vytvoří vazby s křemíkem. Pro čtvrtou vazbu ale elektron chybí – vzniká prázdné místo, tzv. volná díra. Do této díry může snadno přeskočit sousední elektron, čímž se díra přesune jinam. Kladné díry se tak podílejí na vedení elektrického proudu. (Poznámka: Jakmile akceptor přijme cizí elektron do své díry, stane se z něj záporný iont, který je pevně vázán v mřížce a nehýbe se).
  Krystalová mřížka polovodiče typu P – atom akceptoru vytváří volnou díru

• 4.4 Přechod PN

  • Přechod PN vznikne těsným metalurgickým spojením polovodiče typu P a typu N (vytváří se přímo v jednom krystalu při výrobě). Je to základní stavební prvek diod a tranzistorů.
  • Co se stane po spojení (Difúze a rekombinace):
    • Protože je v N-ku přebytek elektronů a v P-čku přebytek děr, začnou se tyto částice přelévat na druhou stranu (snaha o vyrovnání koncentrace).
    • Volné elektrony z N přecházejí do P, kde zapadnou do děr – tzv. rekombinace (elektron a díra navzájem zaniknou).
  • Vznik potenciálové bariéry:

    • Tím, že v oblasti spoje elektrony a díry zanikly, vznikne zde tzv. vyprázdněná oblast (bez volných nosičů náboje), která je nevodivá.

    • Z atomů příměsí, které přišly o své nosiče, se staly nepohyblivé ionty (v N jsou kladné, v P záporné). Mezi těmito ionty vznikne vnitřní elektrické pole – potenciálová bariéra (u křemíku má hodnotu cca 0,7 V).

    • Tato bariéra se rozšiřuje jen do okamžiku, kdy je tak silná, že další volné nosiče už nemají energii na její překonání, a proces přelévání se zastaví.

      

      Vznik vyprázdněné oblasti a potenciálové bariéry na přechodu PN

---

5. Dioda

VA charakteristika křemíkové diody

• 5.2 Druhy diod

  

  Přehled druhů diod

  • 5.2.1 Běžná dioda

    • Polovodičová součástka (PN přechod)
    • Propouští proud jen jedním směrem (z anody na katodu – propustný směr).
    • V závěrném směru nevede proud (až do proražení).
    • Použití: usměrňovače, ochrana obvodů, spínání.

  • 5.2.2 Schottkyho dioda

    • Kov–polovodičový přechod (ne PN).
    • Má nižší prahové napětí (≈ 0,2–0,4 V oproti 0,7 V u křemíkové).
    • Velmi rychlá → vhodná pro vysokofrekvenční obvody a spínané zdroje.
    • Nevýhoda: vyšší závěrný proud (únik).

  • 5.2.3 Tunelová dioda

    • Má velmi silně dotovaný PN přechod → umožňuje jev kvantového tunelování.
    • Má oblast záporného diferenciálního odporu (s rostoucím napětím klesá proud).
    • Použití: vysokofrekvenční generátory, oscilátory, speciální zesilovače.

  • 5.2.4 Fotodioda

    • PN přechod pracující v závěrném směru.
    • Dopadající světlo vytváří nosiče náboje → vzniká fotoproud.
    • Použití: senzory světla, optická komunikace (např. dálkové ovladače).

  • 5.2.5 Zenerova dioda

    • Pracuje v závěrném směru blízko napětí průrazu (tzv. Zenerovo napětí).
    • Po dosažení průrazného napětí se napětí na diodě stabilizuje.
    • Použití: stabilizace napětí, ochrana proti přepětí.

  • 5.2.6 Varikap (varikapová dioda)

    • Speciální dioda používaná jako napěťově řízený kondenzátor.
    • V závěrném směru → šířka oblasti PN přechodu se mění podle napětí → mění se kapacita.
    • Použití: ladicí obvody (rádia, TV tunery, oscilátory).

• 5.3 Přechod PN v propustném směru

  • K tomuto stavu dojde, pokud připojíme kladný pól zdroje na polovodič typu P (anodu) a záporný pól na polovodič typu N (katodu).

  • Připojením vnějšího zdroje napětí dochází k vytvoření elektrického pole $E$, které působí proti vnitřnímu potenciálovému poli $E_i$ na přechodu.

  • Vnější zdroj tlačí elektrony a díry k sobě. Zvyšováním vnějšího napětí tak dochází ke zužování potenciálové bariéry.

  • V okamžiku, kdy vnější pole překoná to vnitřní ($E>E_i$, u křemíku je to při napětí cca 0,7 V), bariéra mizí. Dochází k otevření přechodu, kterým začnou masivně procházet majoritní nosiče, a obvodem protéká proud.

    

    Zapojení přechodu PN v propustném směru (vnější pole zmenšuje bariéru, žárovka svítí)

• 5.4 Přechod PN v závěrném směru

  • K tomuto stavu dojde, pokud připojíme napětí opačně: záporný pól na polovodič typu P a kladný pól na polovodič typu N.

  • Vnější elektrické pole $E$ působí ve stejném směru jako vnitřní pole $E_i$, obě pole se tedy sčítají.

  • Vnější zdroj přitahuje majoritní nosiče směrem od přechodu (elektrony k plusu, díry k minusu). Potenciálová bariéra se tím rozšíří.

  • Říkáme, že přechod je nevodivý (uzavřený). Ve skutečnosti jím ale protéká tzv. zbytkový proud tvořený minoritními nosiči. Má velmi malou hodnotu (řádově pA až nA), ale je silně závislý na teplotě (s rostoucí teplotou rychle roste).

    

    Zapojení přechodu PN v závěrném směru (bariéra se rozšiřuje, žárovka nesvítí)