5. Součástky řízené neelektrickými veličinami

• Součástky řízení světlem: fotorezistory, fotodiody, fototranzistory, fototyristory, optrony
• Součástky řízené magnetickým polem: magnetorezistory, Hallova sonda
• Součástky řízené teplotou: termistory negativní a pozitivní
• Varistory

---

1. Fotorezistor

• Je pasivní polovodičová součástka bez PN přechodu, jejíž elektrický odpor se mění v závislosti na intenzitě dopadajícího elektromagnetického záření. Princip činnosti je založen na vnitřním fotoelektrickém jevu. Dopadající fotony předávají energii elektronům ve valenčním pásu polovodiče, čímž dochází k jejich excitaci do vodivostního pásu a následnému zvýšení vodivosti materiálu.

• V neosvětleném stavu (za tmy) vykazuje fotorezistor vysokou hodnotu odporu, který se typicky pohybuje v řádu megaohmů ($M\Omega$). S narůstající intenzitou osvětlení odpor součástky nelineárně klesá, přičemž při plném osvětlení může dosahovat hodnot v řádu stovek ohmů. Citlivá vrstva je nejčastěji tvořena sulfidem kademnatým (CdS) nebo selenidem kademnatým (CdSe), naneseným na keramické podložce ve tvaru meandru pro maximalizaci aktivní plochy.

• Oproti jiným optoelektronickým prvkům, jako jsou fotodiody, se fotorezistory vyznačují pomalejší odezvou (setrvačností) na změny osvětlení a spektrální citlivostí, která je často blízká citlivosti lidského oka. V technické praxi se uplatňují především v obvodech pro detekci přítomnosti světla, jako jsou soumrakové spínače veřejného osvětlení, v optických závorách, v automatické regulaci jasu displejů nebo v kompresorech dynamiky (optocouplery).

Schématická značka fotorezistoru

Charakteristika fotorezistoru

Popis konstrukce fotorezistoru

1.1 Fotorezistor jako spínač

Schéma zapojení fotorezistoru jako spínač

• Uvedené schéma představuje aplikaci fotorezistoru v obvodu jednoduchého soumrakového spínače. Funkce obvodu je založena na napěťovém děliči na vstupu, který je tvořen pevným rezistorem ($100\mathrm{k\Omega }$) a fotorezistorem, připojeným k bázi bipolárního NPN tranzistoru.

• Při poklesu intenzity okolního osvětlení (za tmy) výrazně vzroste odpor fotorezistoru. To způsobí zvýšení napětí na bázi tranzistoru nad prahovou hodnotu napětí přechodu báze-emitor ($U_{BE}\approx 0,7\mathrm{V}$). Tranzistor sepne (přejde do saturace) a uzavře obvod kolektor-emitor, čímž umožní průchod proudu zátěží tvořenou LED diodou a jejím omezovacím rezistorem ($100\Omega$), a dioda se rozsvítí. Při dostatečném osvětlení naopak odpor fotorezistoru klesne, tranzistor se uzavře a LED zhasne.

---

2. Fototranzistor

• Fototranzistor je aktivní polovodičová součástka, která kombinuje detekční schopnost fotodiody se zesilovací funkcí bipolárního tranzistoru. Konstrukčně se nejčastěji jedná o tranzistor typu NPN, jehož přechod báze-kolektor je přístupný dopadajícímu optickému záření. Pouzdro součástky je obvykle opatřeno čočkou, která světlo soustřeďuje na citlivou oblast čipu.

• Princip činnosti využívá vnitřního fotoelektrického jevu. Dopadající světlo generuje v oblasti báze volné nosiče náboje, což vyvolává vznik primárního fotoproudu. Tento proud nahrazuje funkci řídicího proudu do báze a je následně tranzistorovým jevem mnohonásobně zesílen. Díky tomu vykazuje fototranzistor řádově vyšší citlivost než běžná fotodioda, avšak za cenu pomalejší odezvy.

• V zapojení se fototranzistor nejčastěji využívá jako dvousvorková součástka se zapojeným kolektorem a emitorem, zatímco báze zůstává nezapojena a je buzena pouze dopadajícím světlem. Mezi typické aplikace patří optické závory, snímače polohy a přijímací části optočlenů.

• Z hlediska funkce rozlišujeme dva základní pracovní režimy:

  1. Lineární (aktivní) režim: V tomto nastavení je velikost kolektorového proudu přímo úměrná intenzitě dopadajícího záření. Tento režim se využívá v aplikacích pro analogové měření intenzity osvětlení.
  2. Saturační (spínací) režim: Zde fototranzistor pracuje jako elektronický spínač. Při dostatečném osvětlení přechází do stavu nasycení (saturace), kdy je plně otevřen a výstupní napětí klesá na minimální hodnotu. Tento režim je typický pro číslicové obvody, snímače polohy nebo optické závory, kde se vyhodnocují pouze stavy světlo/tma.

Charakteristika fotorezistoru

Značka fotorezistoru

---

3. Fotodioda

• Fotodioda je polovodičová součástka s jedním přechodem PN, která je konstrukčně upravena tak, aby na oblast přechodu mohlo dopadat optické záření. Pouzdro je obvykle opatřeno okénkem nebo čočkou. Princip činnosti je založen na vnitřním fotoelektrickém jevu, kdy absorpce fotonů v oblasti přechodu generuje volné nosiče náboje (páry elektron-díra).

• Na rozdíl od běžných usměrňovacích diod je fotodioda optimalizována pro detekci záření a v závislosti na způsobu zapojení může pracovat ve dvou odlišných režimech:

  1. Fotovodivostní režim (s vnějším zdrojem): Fotodioda je zapojena v závěrném směru (katoda na kladný pól). Bez osvětlení obvodem protéká jen zanedbatelný tzv. temný proud. Při osvětlení dochází k nárůstu závěrného proudu, který je lineárně závislý na intenzitě dopadajícího světla. Tento režim se vyznačuje velmi rychlou odezvou a širokým dynamickým rozsahem, proto se využívá v optických komunikacích a rychlých senzorových aplikacích.
  2. Fotovoltaický režim (bez vnějšího zdroje): Dioda není připojena k napájecímu zdroji. Dopadající záření vytváří na elektrodách napětí (fotovoltaický jev). V tomto režimu se dioda chová jako zdroj elektrické energie. Tento princip je základem slunečních článků, ale využívá se i v přesné měřicí technice díky nízkému šumu a vysoké stabilitě.

• Hlavní předností fotodiody oproti fototranzistoru nebo fotorezistoru je vysoká rychlost odezvy (nízká setrvačnost) a dobrá linearita převodu světla na elektrický proud. Nevýhodou je velmi malá hodnota výstupního proudu, která často vyžaduje následné zesílení pomocí operačních zesilovačů.

Charakteristika fotodiody

Značka fotodiody

• Při polarizovaní diody ve zpětném směru (3. kvadrant), dochází k téměř lineárnímu růstu proudu a při rovnoměrném zvětšovaní osvětleni. Dioda se v těchto podmínkách chova jako pasivní součástka jejíž odpor je závislý na okolním osvětleni.

• Část charakteristik probíhajíc 4. kvadrantem odpovídá hradlovému režimu činnosti fotodiody. Zde se tato součástka chova jako zdroj napětí, na anodě má kladné napětí několik desetin voltu.

---

4. Optrony

• Optron (neboli optoelektronický vazební člen) je polovodičová součástka, která slouží k přenosu elektrického signálu mezi dvěma obvody při zachování jejich galvanického oddělení. Základní funkcí je zprostředkování přenosu informace pomocí světelného toku, čímž se zabraňuje přímému elektrickému spojení mezi vstupem a výstupem. Tím je zajištěna ochrana nízkonapěťových řídicích částí (např. mikrokontrolérů) před rušením nebo vysokým napětím z výkonové části.

• Vnitřní struktura optronu je uzavřena v neprůsvitném pouzdře a skládá se ze dvou základních prvků:

  1. Vysílač (vstup): Tvoří jej obvykle infračervená luminiscenční dioda (LED). Velikost vstupního proudu určuje intenzitu vyzařovaného světla.
  2. Přijímač (výstup): Jedná se o fotocitlivý prvek, nejčastěji fototranzistor, ale využívají se i fotodiody (pro velmi rychlé přenosy dat), fototyristory nebo fototriaky (pro spínání síťových napětí 230 V). Tento prvek detekuje dopadající záření a převádí jej zpět na elektrický signál.

• Princip činnosti spočívá ve dvojí konverzi energie: elektrický signál je na vstupu převeden na optický, ten překoná izolační bariéru a na výstupu je opět převeden na elektrický.

• Klíčovým parametrem optronu je tzv. proudový přenosový činitel (CTR – Current Transfer Ratio), který udává poměr mezi výstupním kolektorovým proudem a vstupním proudem LED diody. Dalším podstatným parametrem je izolační pevnost, která definuje maximální rozdíl potenciálů mezi vstupem a výstupem, který součástka bezpečně snese (běžně v řádu kilovoltů).

• V praxi se optrony využívají ve spínaných zdrojích (pro zpětnou vazbu), v průmyslové automatizaci pro oddělení vstupů/výstupů PLC automatů a v rozhraních komunikačních linek pro potlačení zemních smyček.

Schématická značka optronu

---

5. Magnetorezistory

• Magnetorezistor je pasivní polovodičová součástka, jejíž elektrický odpor se mění v závislosti na velikosti indukce vnějšího magnetického pole. Konstrukčně je nejčastěji tvořen tenkou vrstvou polovodičového materiálu s vysokou pohyblivostí nosičů náboje (typicky antimonid india – InSb nebo arsenid india – InAs), která je nanesena na keramickou podložku. Pro zvýšení citlivosti je vodivá dráha často uspořádána do tvaru meandru a doplněna o kovové zkratovací proužky (tzv. rastr).

• Princip činnosti vychází z fyzikálního jevu známého jako Gaussův efekt (magnetorezistivní jev). Působením Lorentzovy síly v magnetickém poli dochází k zakřivování trajektorie nosičů náboje (elektronů) protékajících polovodičem. Tím se prodlužuje jejich efektivní dráha mezi elektrodami, což se navenek projeví nárůstem elektrického odporu součástky.

• V klidovém stavu (bez přítomnosti magnetického pole) vykazuje součástka základní odpor $R_0$. S rostoucí magnetickou indukcí $B$ odpor narůstá, přičemž v oblasti slabých polí je tato závislost přibližně kvadratická. Důležitou vlastností je, že změna odporu nezávisí na polaritě magnetického pole (směru vektoru indukce), ale pouze na jeho velikosti.

• Magnetorezistory se využívají v aplikacích pro bezkontaktní měření polohy, jako snímače otáček, pro měření velkých stejnosměrných proudů (bez galvanického spojení) nebo jako bezkontaktní potenciometry.

Značka a charakteristika magnetorezistoru

---

6. Hallova sonda

• Hallova sonda je aktivní polovodičový snímač, který slouží k převodu magnetické indukce na elektrické napětí. Konstrukčně je tvořena tenkou destičkou polovodičového materiálu (často InSb, InAs nebo GaAs) se čtyřmi elektrodami. Dvě elektrody slouží pro přívod budicího proudu a zbylé dvě pro snímání výstupního napětí.

• Princip činnosti je založen na galvanomagnetickém jevu známém jako Hallův jev. Pokud polovodičovou destičkou protéká elektrický proud ($I$) a současně na ni působí vnější magnetické pole s indukcí ($B$) kolmou na směr proudu, dochází vlivem Lorentzovy síly k vychylování nosičů náboje k jedné straně destičky.

• Tímto hromaděním náboje vzniká napříč destičkou elektrické pole a potenciálový rozdíl, označovaný jako Hallovo napětí ($U_H$).

• Protože samotné Hallovo napětí je velmi malé (řádově  $\mu V$ až $mV$), jsou moderní senzory integrovány do jednoho čipu společně s operačním zesilovačem, stabilizátorem napětí a obvody teplotní kompenzace.

Schématická značka hallovy sondy

• Hallovy sondy se v praxi uplatňují zejména při bezkontaktním měření proudu, které zajišťuje galvanické oddělení měřicích a silových obvodů. Dále jsou klíčovými prvky pro elektronickou komutaci bezkartáčových motorů (BLDC) a v automatizační či automobilové technice slouží jako spolehlivé snímače polohy, otáček a koncové spínače, odolné vůči mechanickému opotřebení.

---

7. Termistory NTC

• Termistor NTC je pasivní polovodičová součástka, jejíž elektrický odpor s rostoucí teplotou klesá. Funkční část je vyrobena ze sintrované keramiky na bázi oxidů kovů (nejčastěji manganu, niklu, kobaltu nebo mědi), která vykazuje polovodičové vlastnosti.

• Princip činnosti spočívá v teplotní generaci volných nosičů náboje. Dodáním tepelné energie dochází k uvolňování elektronů z valenčního do vodivostního pásu, čímž se zvyšuje vodivost materiálu a klesá jeho odpor.

Schématická značka NTC termistoru

Charakteristika NTC termistoru

• V elektrotechnické praxi se termistory NTC využívají ve dvou hlavních oblastech:
  1. Měření a regulace teploty: Zde se využívá velká citlivost na změnu teploty (řádově vyšší než u odporových čidel typu Pt100).
  2. Omezování náběhových proudů (ICL): Výkonové NTC termistory se zapojují do série se zátěží (např. spínaným zdrojem). Za studena mají vysoký odpor, čímž omezí proudový náraz při zapnutí. Průchodem proudu se zahřejí, jejich odpor klesne na minimální hodnotu a dále již neovlivňují funkci obvodu.

---

8. Termistory PTC

• Termistor PTC (Positive Temperature Coefficient), často označovaný jako pozistor, je pasivní polovodičová součástka, jejíž elektrický odpor s rostoucí teplotou narůstá. Funkční část je u spínacích typů vyrobena z polykrystalické feroelektrické keramiky (nejčastěji na bázi titaničitanu barnatého), zatímco u měřicích typů se využívá legovaný křemík.

• Princip činnosti závisí na typu materiálu. U keramických pozistorů je klíčovým parametrem Curieova teplota ($T_C$). Do dosažení této teploty je odpor nízký, avšak po jejím překročení dochází vlivem změn na hranicích zrn krystalické mřížky k lavinovitému nárůstu odporu o několik řádů. U křemíkových typů odpor narůstá lineárně v důsledku snížení pohyblivosti nosičů náboje při vyšších teplotách.

Schématická značka PTC termistoru

Charakteristika PTC termistoru

• V elektrotechnické praxi se termistory PTC využívají ve dvou hlavních oblastech:

  1. Nadproudová ochrana (vratná pojistka): Spínací PTC termistory se zapojují do série s chráněným obvodem. Při průchodu nadměrného proudu se vlivem Jouleova tepla zahřejí nad Curieovu teplotu, jejich odpor skokově vzroste a proud obvodem klesne na bezpečnou zbytkovou hodnotu. Po odstranění poruchy a vychladnutí se součástka vrátí do vodivého stavu.

  2. Samoregulační topné články a měření: V topné technice pozistory automaticky stabilizují svou teplotu (při přehřátí omezí výkon zvýšením odporu). Lineární křemíkové typy (např. řada KTY) se pak využívají pro přesné měření teploty v řídicích systémech a pro tepelnou ochranu vinutí motorů.

---

8. Varistor

• Varistor je nelineární polovodičová součástka, jejíž elektrický odpor s rostoucím napětím prudce klesá. Funkční část moderních varistorů je vyrobena ze spékané keramiky na bázi oxidu zinečnatého s příměsí dalších oxidů kovů (tzv. metal-oxidové varistory – MOV), která vytváří polykrystalickou strukturu.

• Princip činnosti vychází z vlastností rozhraní mezi jednotlivými zrny materiálu, která se chovají jako mikroskopické PN přechody. V klidovém stavu (při napětí nižším, než je jmenovité varistorové napětí) vykazuje součástka vysoký odpor a obvodem protéká pouze zanedbatelný svodový proud. Při překročení prahového napětí dojde k lavinovitému průrazu, odpor součástky během nanosekund klesne o několik řádů a varistor zkratuje přepěťovou špičku.

• V elektrotechnické praxi se varistory využívají ve dvou hlavních oblastech:

  1. Ochrana proti přepětí (SPD): Varistor se zapojuje paralelně ke chráněnému zařízení (vstup napájení). Při výskytu krátkodobé napěťové špičky (např. od úderu blesku nebo spínacích dějů v síti) varistor svede náboj, absorbuje energii impulzu (přemění ji na teplo) a omezí napětí na bezpečnou úroveň.

  2. Potlačení spínacího rušení: U indukčních zátěží (cívky relé, motory) se varistory používají k oříznutí napěťových špiček vznikajících při rozpojení obvodu. Tím chrání mechanické kontakty spínačů před opalováním a polovodičové prvky před průrazem.

Schématická značka varistoru

Charakteristika varistoru