Polovodiče Ing.Drgo Pavel,16.november 2016

Transcript

1 Polovodiče Ing.Drgo Pavel,16.november 2016

2 Polovodiče v počítači

3 Polovodiče v počítači Polovodiče výrazne ovplyvnili technický rozvoj v posledných desaťročiach. Vzhľadom k tomu, že polovodiče majú veľmi veľa výhod (napr. malé rozmery, mechanicky sú pomerne odolné, dokážu pracovať aj pri nižších napätiach a pod.), ich využitie v technickej praxi stúpa. V dnešnej dobe sa využívajú hlavne v integrovaných obvodoch (v jednom kúsku polovodiča je spojený veľký počet elektrotechnických prvkov), ktoré tvoria základ každého počítača. Aby sme lepšie rozumeli fungovaniu počítača, musíme si vysvetliť, na akom princípe funguje jeho základná zložka - polovodič.

4 Teória polovodičov Polovodiče sú látky, ktoré majú merný odpor oveľa väčší ako kovové vodiče, ale menší ako izolanty. Vodivosť polovodičov silne závisí od teploty a na osvetlenia. Najvýznamnejším polovodičom je kremík, ďalej potom germánium, selén, fosfor, arzén a rad ďalších. Uplatňujú sa ako základný materiál pre konštrukciu polovodičových súčiastok Elektrické vlastnosti polovodičov môžeme vysvetliť na základe vlastností ich kryštálovej mriežky. Napríklad kremík je čtvormocný (má 4 valenčné elektróny) a jeho atómy sú usporiadané v kryštálovej mriežke. Pri nízkych teplotách sú valenčné elektróny silne pripútané v mriežke, kremík prúd nevedie. Pri zahriatí sa ióny v kryštálovej mriežke rozkmitajú a dochádza k uvoľňovaniu valenčných elektrónov.

5 Kryštalická mriežka kremíka

6 Ak opustí elektrón svoje miesto v mriežke (na obr. Šípky), objaví sa miesto, kde chýba záporný náboj. Toto prázdne miesto sa nazýva "diera" a chýbajúce záporný náboj sa navonok prejaví ako náboj kladný (na obr. Vyznačený modrou). Do "diery" môže preskočiť iný elektrón z kryštálovej mriežky a doplniť chýbajúce záporný náboj. Dôjde k rekombináciu. Kladná "diera" sa však objaví na mieste, odkiaľ elektrón preskočil, vyzerá to teda, ako by sa "diery" sťahovali v kryštálovej mriežke z miesta na miesto.

7 Kryštalická mriežka kremíka

8 Vlastná vodivosť Ak pripojíme k tomuto polovodičmi zdroj napätia, začnú sa záporné elektróny presúvať ku kladnému pólu, kladné diery k pólu zápornému a nastane usmernený pohyb nábojov. Elektrický prúd v polovodičoch je spôsobený usmerneným pohybom uvoľnených elektrónov a "dier". (na rozdiel od kovov, kde elektrický prúd vedú len voľné elektróny). Ak v polovodiči vedú elektrický prúd elektróny a "diery" vzniknuté vyššie popísaným spôsobom, hovoríme o vlastnej vodivosti.

9 Nevlastná vodivosť V technickej praxi majú najväčšie využitie tzv. Nevlastné polovodiče, ktorých kryštálová mriežka bola "znečistená" nepatrným množstvom prímesí. Vlastnosti polovodičov sú totiž silne závislé na prímesiach a vhodným výberom prímesi môžeme dosiahnuť, aby v polovodiči bol elektrický prúd vedený buď voľnými elektrónmi (elektrónová vodivosť, vodivosť typu N), alebo "dierami" (otvorová vodivosť, vodivosť typu P).

10 Vodivosť typu N(negatívna)

11 Vodivosť typu N(negatívna) V kryštálu kremíka sú niektoré atómy nahradené päťmocnými atómami, napr. Arzénu. Ich štyri valenčné elektróny sa zúčastňuje väzieb, ale piaty sa už v chemických väzbách nemôžu uplatniť. Sú veľmi slabo viazané a už pri nízkych teplotách sa stanú voľnými elektrónmi. V kremíku s prímesou päťmocného prvku (hovorí sa mu donor) je nadbytok voľných elektrónov, ktoré po pripojení k zdroju spôsobujú jeho elektrónovú vodivosť typu N.

12 Vodivosť typu P

13 Vodivosť typu P (pozitívna) Vznikne ak sa zabudujú do kryštálovej mriežky atómy trojmocného prvku s tromi valenčnými elektrónmi napr. India, chýba pre obsadenie všetkých chemických väzieb elektrón. V mieste nenasýtené väzby vznikne "diera" s kladným nábojom. Túto "dieru" môže zaplniť elektrón z niektorej inej väzby a "diera" sa v kryštáli presunie na jeho miesto. Prímes trojmocného prvku (hovorí sa mu akceptor) vytvára v kryštáli kremíka nadbytok kladných "dier", ktoré po pripojení k zdroju spôsobujú jeho dierovú vodivosťtypu P.

14 Diódový jav Najväčšie využitie v elektronike má prechod PN. Nazýva sa tak oblasť styku dvoch polovodičov s opačným typom vodivosti. Prechod PN má tú vlastnosť, že v jednom smere ním prúd môže prechádzať, kým v opačnom smere nie. Vysvetlenie : polovodič typu N obsahuje vo svojej kryštálovej mriežke voľne pohyblivé záporné elektróny, polovodič typu P má v kryštálovej mriežke voľne pohyblivé kladné "diery". Môžu nastať tieto stavy: a) k prechodu PN nie je pripojený zdroj napätia b) zdroj napätia je pripojený v závernom smere c) zdroj napätia je pripojený v priepustnom smere

15 Video teória polovodičov Teóra usmerňovačov Polovodičové súčiastky-video

16 PN prechod bez zdroja napätia V oblasti styku oboch polovodičov sa časť elektrónov z oblasti N dostane do oblasti P a časť "dier" z oblasti P prejde do oblasti N. Voľné elektróny rekombinujú s "dierami", takže okolo prechodu PN sa vytvorí nevodivá oblasť bez voľných nábojov (na obrázku vyznačená šedou farbou).

17 Záverný smer: Ak pripojíme k polovodiču P záporný pól a na polovodiču N kladný pól zdroja, vzďaľujú sa pôsobením elektrických síl voľné náboje od prechodu PN, oblasť bez voľných nábojov sa rozšíri, jej odpor vzrastie a elektrický prúd prechodom PN nemôže prechádzať. Nevodivej oblasti bez voľných nábojov hovoríme hradlové vrstva.

18 Priepustný smer: AK zmeníme polaritu pripojeného zdroja, prechádzajú pôsobením elektrických síl voľné elektróny cez prechod PN ku kladnému pólu a "diery" sú priťahované k zápornému pólu.výsledkom je zúženie hradlové vrstvy a zmenšenie jej odporu. Takto zapojeným prechodom PN prúd prechádza.

19 Polovodičová dióda Popísaný jav, pri ktorom závisí odpor prechodu PN na polarite pripojeného zdroja, nazývame diódový jav. Prvok s jedným prechodom PN je najjednoduchšia polovodičovú súčiastkou - je to polovodičová dióda. Polovodič P je pripojený k elektróde nazývané anóda, polovodič N je pripojený ku katóde. Na obrázku je znázornený vzťah medzi štruktúrou diódy (vľavo) a jej schematicky značkou.

20 Druhy diód Usmerňovacia dióda je určená na výkonové usmernenie striedavého napätia. Pre väčšie prúdy majú diódy púzdro ktoré umožňuje pripojiž ich na chladič. Detekčná dióda je určená na usmernenie vysokofrekvenčného prúdu v prenosovej technike. Zenerova dióda je špeciálne navrhnutá diódy, ktorá sa prierazom nezničí. Jej prierazné napätie je konštručne nastavené na presnú hodnotu rádovo v desiatkách voltov. Zenerove diódy sa využívajú na stabilizáciu napätia. Varikap je dióda u ktorej sa využíva kapacita PN prechodu, ktorá sa mení v závislosti na napätí na varikape, teda od stupňa otvorenia diódy. Varikapy sa používajú v napäťovo riadených kmitavých obvodoch, napríklad v kanálovom voliči. LED (light emited diode) - svetlo emitujúca dióda - je určená na osvetlenie a signalizáciu. LD (laser diode) - laserová dióda - vyžaruje úzke svetelné spektrum (šírka 1 nm), využíva sa v prenosovej technike (optické káble),výpočtovej technike.

21 Schématické značky

22 Využitie usmerňovacej diódy Vo výpočtovej technike často treba premeniť striedavé napätie na jednosmerné. Takýto dej sa nazýva usmernenie striedavého prúdu a príslušné zariadenie sa nazýva usmerňovač. Polovodičová dióda zaradená do obvodu striedavého prúdu pracuje ako jednocestný usmerňovač a obvodom prechádza jednosmerný prúd.

23 Polovodičová dióda: - je polovodič s prechodom PN. A K A K priepustný smer záverný smer Diódový jav - jav závislosti elektrického odporu polovodiča s prechodom PN od polarity vonkajšieho zdroja napätia pripojeného k polovodiču.

24 Polovodičová dióda v obvode striedavého prúdu i R Z i t R Z - pracovný rezistor Premostením diódy je dióda vyradená z činnosti, rezistorom prechádza striedavý prúd.

25 Polovodičová dióda v obvode striedavého prúdu i R Z i t Elektrický prúd prechádza obvodom v kladných polperiódach vstupného napätia. Výstupné napätie je jednosmerné a pulzujúce.

26 Polovodičová dióda v obvode striedavého prúdu i R Z i t Elektrický prúd prechádza obvodom v záporných polperiódach vstupného napätia. Výstupné napätie je jednosmerné a pulzujúce.

27 Polovodičová dióda v obvode striedavého prúdu Zníženie pulzácie výstupného napätia... i C 1 i t Zaradením kondenzátora paralelne k rezistoru. V kladných polperiódach sa kondenzátor nabíja, v záporných cez rezistor vybíja...

28 Polovodičová dióda v obvode striedavého prúdu Výraznejšie zníženie pulzácie výstupného napätia... i C1 2 t Zaradením kondenzátora s väčšou kapacitou C 2 >C 1. Vybíjanie kondenzátora s väčšou kapacitou je pomalšie.

29 Dvojcestný usmerňovač Graetzovo zapojenie so štyrmi diódami i + - t V kladných polperiódach prechádza prúd dvojicou diód, ktoré sú zaradené v priepustnom smere.

30 Dvojcestný usmerňovač Graetzovo zapojenie so štyrmi diódami i - + t V záporných polperiódach prechádza prúd druhou dvojicou diód zaradených v priepustnom smere.

31 Dvojcestný usmerňovač Graetzovo zapojenie so štyrmi diódami i t Výstupné napätie pulzuje s dvojnásobnou frekvenciou.

32 Dvojcestný usmerňovač Graetzovo zapojenie so štyrmi diódami i t K dokonalému usmerneniu napätia sa používajú filtre, usmernené napätie kolíše iba nepatrne a má veľkosť zodpovedajúcu amplitúde striedavého napätia.

33 TRANsfer resistor 1947 Brattain a Shockley (Bellove telefónne laboratória, USA)

34 Tranzistor je polovodičová súčiastka, ktorá sa používa ako: zosilňovač, spínač, stabilizátor,... v dnešnej dobe sú tranzistory takmer v každom elektronickom zariadení veľa tranzistorov je práve v IO (integrovaných obvodoch)

35 Rozdelenie tranzistorov

36 Bipolárne tranzistory Riadený prúd prechádza dvoma polovodičovými prechodmi a ovládajú sa bázovým prúdom čím zaťažujú budiaci obvod nízkym vstupným odporom), bipolárne tranzistory, ktoré využívajú vždy oba typy nosičov Umožňujú menšiu hustotu integrácie ako unip.tr Majú vysokú frekvenciu spínania Čas prechodu medzi stavmi dosahuje rádovo ns

37 Bipolárny Tranzistor Tranzistor je polovodičová súčiastka s tromi elektródami - emitorom E, bázou B a kolektorom K. Vyrába sa v dvoch modifikáciách: NPN (emitor je polovodič typu N, báza je vrstvička polovodiča typu P a kolektor je opäť polovodič typu N PNP (emitor je polovodič typu P, báza je vrstvička polovodiče typu N a kolektor je opäť polovodič typu P Rozdiel medzi tranzistorom typu NPN a typu PNP spočíva v podstate len v opačnej polarite pri ich napájanie

38 Tranzistor-princíp činnosti bipolárneho tranzistora Tranzistor typu NPN v zapojení so spoločným emitorom pracuje nasledovne: vstupná elektródou je báza a výstupné elektródou je kolektor. Obvod báza je tvorený prechodom báza - emitor a je zapojený v priepustnom smere. Kolektorový obvod je tvorený oboma prechody PN medzi emitorom a kolektorom a je zapojený v závernom smere. Báza je teda pripojená k malému kladnému napätie a kolektor k veľkému kladnému napätia. Ak k báze pripojíme zdroj malého vstupného napätia (napríklad z mikrofónu ), prechádzajú elektróny z emitora do bázy (priepustný smer), ale väčšina pokračuje cez prechod báza - kolektor do kolektora, pretože sú k nemu priťahované veľkým kladným napätím.

39 Tranzistor s SE PRINCÍP ZAPOJENIE

40 Spôsoby zapojenia tranzistora

41 Tranzistor ako zosilňovač

42 Tranzistor ako spínač

43 Zapojenie 9V zdroja

44 Unipolárne tranzistory

45 Vlastnosti majú dlhšie spínacie časy ako bipolárne tranzistory ale väčšiu hustotu integrácie, menší príkon, ten však závisí od pracovného kmitočtu dobrú šumovú odolnosť. Napájacie napätie je 4 15V.

46 Charakteristika Pri unipolárnych tranzistoroch riadený prúd prechádza len polovodičom jedného typu, majú teda veľmi malý úbytok napätia v zopnutom stave ovládajú sa iba napätím, majú teda veľmi veľký vstupný odpor (rádovo MOhm). Unipolárne tranzistory sú riadené elektrickým poľom FET (Field Effect Tranzistor), ktorým regulujú veľkosť prúdu prechádzajúceho vodivým kanálom polovodiča typu N alebo P. unipolárny sa im hovorí preto, že používajú len jeden typ nosičov - buď elektróny alebo diery podľa typu vodivého kanála,

47 Delenie unipolárnych tranzistorov JFET PN priechodom riadený tranzistor MOSFET s vodivým kanálom MOSFET s indukovaným kanálom MESFET s prechodom kov-polovodič

48 Princíp činnosti U klasického - bipolárneho - tranzistora sa veľkosť prúdu riadi zmenou napätia na jeho báze. Unipolárny tanzistory pracujú na úplne inom princípe - veľkosť prúdu sa riadi elektrickým poľom a preto sa im hovorí tiež tranzistory riadené poľom čiže FET (z angl. F ield E ffect T ransistor). Základom tranzistorora - FET je kremíková doštička typu P, na ktoréj sú vytvorené ďalšie tenké vrstvy N.

49 Unipolárne tranzistory riadené elektrickým poľom Na vedenie prúdu sa využíva len vrstva P, ktorá je do obvodu pripojená elektródami S (source) a D (drain). Vrstva P tvorí riadiacu elektródu G (gate) Malým napätím na riadiacej elektróde vznikne elektrické pole, ktoré ovplyvňuje prierez a odpor vodivej dráhy medzi elektródami S a D. Aj malou zmenou napätia môžeme meniť odpor a tým aj prúd tranzistora vo veľkom rozsahu hodnôt. Elektrické obvody s tranzistormi FET majú nepatrnú spotrebu prúdu. Napájacie batérie preto vydržia aj niekoľko rokov (napr. V hodinkách) alebo sa na napájanie môžu použiť aj malé solárne články (napr. V kalkulačkách).

50 JFET Tranzistor je tvorený základnou doštičkou polovodiče jedného typu (napríklad N), na ktorej je z dvoch strán vytvorená brána (hradlo) z polovodiče opačného typu (P). Bránou prechádza kanál, ktorým preteká prúd. Riadiaci elektróda označovaná G (Gate) je pripojená k obidvom polovičkám brány. Vývody vodivého kanála sú označované S a D (Source - zdroj, Drain - odtok).

51 JFET Tranzistor s priechodovým hradlom

52 JFET štruktúra

53 JFET princíp činnosti Pokiaľ na riadiaci elektródu nie je privedené napätie, okolo prechodov PN vznikne vyprázdnená oblasť, ktorá obmedzuje priechodná vodivý kanál a definuje maximálnu veľkosť pretekajúceho prúdu. Privedením napätia na riadiacu elektródu v zápornej polarite sa zväčší vyprázdnená oblasť na úkor vodivého kanála a tak sa zmenší veľkosť prúdu pretekajúceho kanálom. Pretože elektróda D má voči riadiacej elektróde opačné napätie, je na tejto strane vyprázdnená oblasť väčšia a vodivý kanál užšie. Pri zvyšovaní napätia medzi S a D u vodivého kanálu sa táto jednostranná deformácie zväčšuje. Do riadiacej elektródy netečie prakticky žiadny prúd (prechod PN je v závernom smere), tranzistor je riadený len napätím. Pri určitej veľkosti napätia dôjde k úplnému zaškrtenie kanála a kanál sa zavrie.

54 MOSFET s vodivým kanálom Metal Oxid Semiconductor Field Effect Tranzistor)

55 MOSFET s vodivým kanálom

56 MOSFET s vodivým kanálom Tranzistor je tvorený základnou doštičkou polovodiče jedného typu (napríklad P) s nízkou koncentráciou prímesí, do ktorej sú vytvorené dve elektródy druhého typu (N +), tvorené veľkou koncentráciou prímesí a medzi nimi je vytvorený úzky kanál rovnakého typu (N) s nízkou koncentráciou prímesou. Na doštičke je oxidáciou vytvorená nevodivá vrstva, na ktorej je naparené hliníková vodivá elektróda G. Pretože je riadiaca elektróda izolovaná, vstupný odpor tranzistora je obrovský ( Ω). Dôležité je pamätať si, že izolačná vrstva pod riadiacou elektródou je veľmi tenká a prerazí ju napätie už od niekoľkých desiatok voltov, takže pri práci s týmito tranzistormi sa predišlo vzniku statickej elektriny. Tranzistory sa dodávajú so zkratovaným vývody a pracuje sa na vodivé uzemnenej podložke.

57 MOSFET s indukovaným kanálom Metal Oxid Semiconductor Field Effect Tranzistor

58 MOSFET s indukovaným kanálem Metal Oxid Semiconductor Field Effect Tranzistor

59 MOSFET s indukovaným kanálem Oproti predchádzajúcemu typu je jediný rozdiel a to, že chýba úzky kanál s nízkou koncentráciou prímesou medzi elektródami S a D, takže nie sú prepojené rovnakým typom polovodiče. Pokiaľ na riadiaci elektródu nie je privedené napätie, okolo prechodu vznikne vyprázdnená oblasť pri výpuste D zväčšená napätím v závernom smere a nepreteká žiadny prúd. Privedením napätia na riadiacu elektródu v kladnej polarite dôjde k vytrhávaniu elektrónov zo základnej doštičky, čo spôsobí vznik tzv. Inverznej vrstvy, ktorá obsahuje dostatok voľných elektrónov na vedenie prúdu medzi elektródami S a D Medzi vývody S a D je opäť prechod PN tvoriaci diódu, ktorá musí byť zapojená v závernom smere.

60 MESFET s prechodom kov-polovodič MEtal Schottky Field Effect Tranzistor Tento tranzistor využíva usmerňujúce účinky prechodu kov-polovodič, ktorý je (podobne ako Schottkyho dióda) schopný pracovať na veľmi vysokých frekvenciách (desiatky GHz). Principiálne pracuje rovnako ako JFET a má aj rovnakú značku.

61 SUMÁR

62 Príklad použitia tranzistorov MOSFET log.člen NOR a NAND integrované obvody MOS sú zostavené výlučne z tranzistorov, ktoré plnia funkciu tak aktívnych, ako aj pasívnych prvkov.

63 Tranzistor MOS FET ako spínač

64 MOS FET tranzistor v zosilňovači

65 Pamäťová bunka ROM

66 Statická bunka SRAM

67 Nabíjačka pre mobil

68 Napájací zdroj, je elektronický obvod, ktorý zabezpečuje elektrickú energiu požadovaných parametrov pre napájaný elektronický obvod; obvykle premenou elektrickej energie z iného zdroja. Napájacie zdroje delíme: Lineárne Sieťové Spínané

69 Stupne zdroja

70 Lineárne zdroje Stabilizácia napätia u základného druhu lineárnych zdrojov sa dosahuje tak, že k obvodu napájanému z nestabilizovaného zdroja vyššieho napätia cez vhodný rezistor je paralelne zapojený prvok, ktorého voltampérová charakteristika vykazuje prudký nárast prúdu pri požadovanom napätí. Takýmto prvkom je Zenerova dióda, ktorá sa vyrába v širokom rozsahu prahových napätí. Nedostatkom zdroja so Zenerovou diódou je pomerne zlá stabilita výstupného napätia, pomerne malý prúdový rozsah, a najmä malá účinnosť, keďže sa elektrická energia mení na teplo v sériovom rezistore aj v samotnej Zenerovej dióde. Typickým predstaviteľom lineárnych zdrojov sú integrované obvody typu 78xx (napr je zdroj napätia 5V) a ich odvodeniny. Nevýhodou lineárnych zdrojov je ich nízka účinnosť. Výhodou je ich nízka cena, malé rozmery, ľahká použiteľnosť, a bezproblémovosť z hľadiska rušenia navonok aj do napájaného obvodu.

71 Využitie Zenerovej diódy Lineárne zdroje

72 Lineárne zdroje Využitie tranzistora a diódy

73 Sieťové zdroje Sieťové zdroje čerpajú energiu z bežnej elektrickej distribučnej siete. Vstupom je preto striedavé napätie frekvencie Hz v rozsahu V. Je preto potrebné pri ich konštrukcii aj výrobe dodržiavať príslušné elektrotechnické a bezpečnostné normy. Sieťové zdroje sa konštruujú buď s bežným transformátorom a následným usmerňovačom a lineárnym stabilizátorom, alebo ako spínané zdroje s transformátorom. Menšie sieťové zdroje sa často nazývajú adaptér.

74 Sieťové zdroje

75 Napájací zdroj notebooku

76 Spínané zdroje Využívajú spínací prvok (tranzistor), ktorý pomerne vysokou frekvenciou (desiatky khz a viac) periodicky zopína a rozpína vstupné napätie do obvodu pozostávajúceho z kombinácie cievky, kondenzátora a diódy. Vhodnou kombináciou týchto prvkov je možné dosiahnuť zníženie napätia (tzv. step-down) aj zvýšenie napätia (tzv. step-up, Iným druhom spínaných zdrojov je zdroj s transformátorom a následným diódovým usmerňovačom, kde sa využívajú výhodné vlastnosti (menšie rozmery transformátora pri veľkých prúdoch, menšie magnetické straty) moderných magnetických materiálov (ferity) pri vysokých frekvenciách. Zmenou frekvencie a striedy spínania je možné v týchto zapojeniach dosiahnuť zmenu výstupného napätia.

77 SPÍNANÝ ZDROJ -princíp

78 SPÍNANÝ ZDROJ

79 Popis blokovej schémy Vstupné sieťové napätie 230 V / 50 Hz je usmernené a jednoducho filtrované. širokopásmový filter na vstupe zabraňuje prenikaniu rušivých signálov zo zdroja do siete. Elektronický spínač je riadený v slučke spätnej väzby tak, aby výstupné napätie bolo konštantné. Za spínačom je obdĺžnikové napätie o frekvencii desiatky khz

80 Popis blokovej schémy toto napätie je transformované impulzným transformátorom s feritovým jadrom na potrebnú veľkosť, transformovanej napätie sa usmerňuje Schottkyho diódami a ďalej je filtrované výstupným filtrom. Zdroj spätnej väzby je rovnaký ako u lineárnych zdrojov, navyše je tu obvod budený spínačom, ktorý mení jednosmerné napätie na obdĺžnikové napätia. Ak by sme nepoužili v zapojení vstupnú časť, vzniklo by zapojenie jednosmerného meniča.

81 Výhody a nevýhody spínaných zdrojov Výhodou spínaných zdrojov je ich malá veľkosť, najmä veľkosť transformátora, ktorý má v porovnaní so sieťovým transformátorom zhodného výkonu oveľa menšie rozmery. Napr. zdroj v PC o výkone 350W váži cca 0,5kg. Nevýhodou môže byť rušenie, ktoré vzniká pri spínaní výkonových tranzistorov. Ďalšou výraznou nevýhodou je veľmi obmedzená životnosť, spôsobená extrémnym namáhaním elektrolytických kondenzátorov (predovšetkým v primárnej časti). Zdroje teda nie sú vhodné pre trvalú prevádzku.

82

83 PC AT zdroj

84

85

86

87 Zdroj (počítača) Počítačový zdroj je súčiastkou (komponentom) počítača, ktorá zabezpečuje dodávku energie pre systém transformovaním vstupného napätia na napätia požadované pri požadovanom výkone. Ďalšou nemenej dôležitou funkciou zdroja je zabezpečenie cirkulácie vzduchu potrebného pre chladenie komponentov v počítači. Zdroj môže byť štandardný (súčasť modulárneho systému počítača) s definovanými rozmermi, montážnymi bodmi, umiestnením chladenia, napätím a konektormi (napr. AT, ATX, mini ATX...), alebo neštandardný (výrobca ho vyrába len pre konkrétny model počítača). Najčastejším typom zdroja používaným v súčasnosti je zdroj štandardu ATX.

88 PC zdroj Počítačový zdroj je zdrojom elektrickej energie pre jednotlivé komponenty vnútri počítača. Je to jeden zo základných stavebných kameňov PC, pričom sa podieľa na jeho stabilite, hlučnosti, rozšíriteľnosti a odvode tepla. Jeho prioritná funkcia je zmena striedavého napätia odoberaného z elektrickej siete na jednosmerné napätie poskytované jednotlivým komponentom. zdroj spracúva napätie z elektrickej siete a premieňa ho na jednosmerné, pričom výstupom je niekoľko vetiev pre 3,3 V, 5 V a 12 V. Vetvy sú následne použité na napájanie základnej dosky, grafických kariet, pevných diskov a mechaník, pričom práve základná doska napätie následne mení na napájanie procesora, karty v rozširujúcich slotoch a iných pripojených súčastí (napr. porty USB).

89 89 Rozdelenie zdrojov poznáme 3 veľkosti: ATX W SFX W TFX W účinnosť:

90 90 Ako vybrať zdroj stanoviť si cenu koľko chcem za zdroj zaplatiť vypočítať si koľko W dokáže 12V vetva dodať zdroj musí mat aj nejakú výkonovú rezervu kupovať zdroj s účinnosťou aspoň 80+ Bronze zdroj by mal mat záruku min 3-5 rokov

91 Tomas Pisec Konektory a kabeláž zdroja ATX12V 20+4Pin CPU 8 Pin CPU 4+4 Pin CPU 4 Pin PCI-E 2.0 2(8) Pin PCI Pin S-ATA MOLEX 4 Pin 91

92 Napätia PC zdroja ATX 92

93 93

94 94

95 Záložný zdroj - UPS neprerušiteľný zdroj energie v prípade prerušenia dodávky elektriny dodá energiu z vlastného zdroja (odporúča sa používať napr. počas búrky, ak nemáme prepäťovú ochranu)

96 UPS UNINTERRUPTIBLE POWER SYSTEM Systém neprerušovaného napájania Obr. 1

97 Zdroje nepretržitého napájania Zdroj nepretržitého napájania nazývame zariadenie, ktoré zabezpečuje dodávku elektrickej energie nezávisle na vonkajších podmienkach. UPS uchováva energiu v akumulátoroch, ktorá je pripravená preklenúť dočasné výpadky sieťového napätia Na konkrétnom hardvéru a aplikáciu záleží, ako dlhý čas má byť UPS schopná napájať zálohované zariadenie.

98 off-line UPS Medzi najlacnejšie UPS patria záložné zdroje typu off-line. Off-line UPS sa poväčšine skladá z: jednoduchého nabíjacieho obvodu s usmerňovačom a akumulátorom jednoduchého striedače s poväčšine lichobežníkovým výstupom Pokiaľ je v elektrorozvodnej sieti dostatočne vysoké napätie, tak sa počítač napája priamo z nej, tj. Bez účasti elektroniky v UPS. V prípade, že hodnota vstupného napätia vybočí z nastavených medzí, prichádza na rad napájanie z akumulátora, ktoré bohužiaľ väčšinou nemá sínusový priebeh.

99 Schéma off-line UPS Pokiaľ dôjde k výpadku elektrickej energie, prepne sa záťaž na striedač, ktorý je napájaný z akumulátorov. Pri obnovení napätia v elektrickej sieti sa záťaž prepne na napájaciu sieť. Akumulátory sa automaticky dobíjajú pomocou usmerňovače Obr. 2

100 Striedače Striedač mení jednosmerné napätie napájacieho zdroja na striedavé. Princíp je znázornený na obrázku. Pri zopnutí spínačov T1 a T2 tečie prúd na záťaži R jedným smerom, po zopnutí T3 a T4 opačným smerom.

101 on-line UPS Najdrahšie kategórie UPS sú záložné zdroje typu on-line. Tie napájajú záťaž vždy a iba z akumulátorov. Jedinou výnimkou je výmena akumulátorov, kedy je záťaž napájaná priamo z elektrorozvodnej siete za účasti výstupného filtra. Výmenu akumulátorov za prevádzky, môžeme vykonať len vtedy, ak má UPS tzv. Hot-swap akumulátory (akumulátory vymeniteľné za prevádzky)

102 Schéma on-line UPS Obr. 3 Vstupný prúd prejde základným filtrom a usmerňovačom Príde do nabíjacieho obvodu, ktorý akumulátor takmer neustále a relatívne malým prúdom dobíja Z akumulátora potom cez striedač so sínusovým výstupom vychádza prúd o pevne stanovenej frekvencii 50,0 Hz a napätie 230 V? (S menšími odchýlkami). Tento prúd potom môže ešte prejsť výstupným filtrom.

103 line-interactive UPS Line-interactive UPS záťaž napája za normálnych podmienok z elektrorozvodnej siete, ale výstupné napätie si upravuje. Výstupný prúd je pomocou filtrov očistený od šumov a v prípade potreby si tiež poradí s podpätím či prepätím bez účasti akumulátora Použitie je všade tam, kde chceme mať istotu, že naše elektronika a počítače sú dostatočne chránené. Tieto UPS sú teda vhodné pre najširšie použitie od zálohy domáceho počítača až po zálohu celej siete.

104 Schéma line-interactive UPS Obr. 4 Vstupný prúd prejde základným vstupným filtrom a autotransformátorom, ktorý zaistí vyrovnanie odchýlok napätia a cez výstupný filter prejde k záťaži. Zároveň prúd z napájacej siete prejde do usmerňovača s nabíjacím obvodom. Pri obnovení napätia v elektrickej sieti sa záťaž prepne na napájaciu sieť.

105 Súčiastky riadené svetlom Detektory optického žiarenia možno rozdeliť na: - Fotovodivostní, kde dopadajúce žiarenie zvyšuje mernú vodivosť polovodiča - Fotovoltaické, kde dopadajúce žiarenie generuje napätie napätie na elektródach

106 Fotorezistor Fotorezistor je polovodičová súčiastka, ktorej odpor s intenzitou dopadajúceho svetla rádovo klesá z MOhm na stovky Ω. Z polovodičového materiálu je na keramickej doštičke vytvorená meandrový cestička, na ktorú dopadá svetlo. Energia svetla uvoľňuje elektróny z väzieb, prúd rastie a hodoty odporu klesá.

107 FOTOREZISTOR Závislosť odporu na osvetlení

108 Diaľkové ovládanie PC

109 Fotovoltaický článok Fotovoltický článok alebo solárny článok alebo slnečný článok je veľkoplošná polovodičová súčiastka (s podobnou vnútornou štruktúrou ako fotodióda), ktorá priamo konvertuje svetelnú energiu na energiu elektrickú pomocou fotoelektrického javu

110 Fotodióda Fotodióda je špeciálne upravená dióda s otvoreným puzdrom a šošovkou, ktorá sústreďuje dopadajúce svetlo na prechod PN.

111 Fotodióda Ak dióda nie je pripojená k vonkajšiemu zdroju, dopadajúce svetlo uvoľňuje elektróny a diery, ktoré sú odpudzované difúznym napätím a môžu tiecť vonkajším obvodom - čiže fotodióda vyrába elektrickú energiu s napätím niekoľko desatín voltu priamym prevodom z energie svetla.

112 Charakteristiky fotodiody

113 PIN fotodioda Pretože obyčajná fotodióda pri vyšších frekvenciách vykazuje dlhú dobu odozvy (nejaký čas trvá, než sa nosiče pri dopade svetla uvoľní a tiež ako po zhasnutí svetla odtečú z vyprázdnené oblasti), pre použitie predovšetkým na účely dátových prenosov cez optické vlákna je určená PIN fotodióda, ktorá má medzi prechod PN vloženou tenkú vrstvu takmer čistého polovodiča označovanú I. Táto vrstva umožňuje prevádzkovať diódu na väčšie napätie, ktoré viac urýchľuje svetlom uvoľnené nosiče a skracuje tak dobu odozvy fotodiódy.

114 Fotodióda

115 Fototranzistor Fototranzistor funguje ako klasický bipolárny tranzistor, len miesto riadiaceho prúdu do bázy dopadá do tejto oblasti vhodne upraveným otvorom v puzdre svetlo, ktorého intenzita určuje mieru otvorenia tranzistor

116 Fototranzistor

117 Optron Optron je uzavretá súčiastka obsahujúci zdroj svetla a fotocitlivou súčiastku (najčastejšie ide o kombináciu LED diódy a fotodiódy alebo tranzistorov). Slúži ku galvanickému oddeleniu dvoch obvodov, medzi ktorými je potreba prenášať analógový alebo digitálny signál.

118 Optron LED DIODA-FOTODIODA LED DIODA-FOTOTRANZISTOR

119 OPTICKÁ Väzba Tu sa využíva zdroje svetla (LED dióda, laser) a následne súčiastky citlivé na svetlo (fotodióda, fotorezistor, fototranzistor). Toto zapojenie sa začína čím ďalej viac používať, lebo je tu využité len polovodičových súčiastok. Vysielač (LED) aj prijímač (fototranzistor) sú zapuzdrené spoločne a predstavujú jedinú súčiastku (optočlen).

120 Optická väzba výhody: veľmi malé rozmery (zvyčajne v puzdre podobnom integrovanému obvodu) vysoká účinnosť bezhlučná prevádzka možnosť použitia u jednosmerného aj striedavého napätia možnosť optického prenosu na veľké vzdialenosti nevýhody: nepripravenosť súčasných LED diód na hodnoty vyššie ako cca 10 V

121

122 Luminiscenčná dióda angl. light-emitting diode LED dióda Je to polovodičová elektronická súčiastka, ktorá vyžaruje úzkospektrálne svetlo, keď ňou prechádza elektrický prúd v priepustnom smere. Svietiaci jav vzniká následkom žiarivej rekombinácie elektrónovo-dierového páru a je formou elektroluminiscencie. Farba vyžarovaného svetla závisí od štruktúry PN priechodu aj od použitého materiálu.

123

124 LED DIODA LED dióda využíva pre prechod PN takéto materiály (Galiumarzenid), ktoré pri prechode prúdu v priepustnom smere vydávajú viditeľné svetlo. Svetlo vzniká odpálení energie elektrónov vydávané pri ich rekombináciu s dierami. Konštrukčne je LED dióda usporiadaná tak, že v malom odrazovej reflektora je umiestnený vlastný prechod PN, anóda je pripojená tenkým drôtikom. Farba svetla je daná druhom polovodičového materiálu pričom farba materiálu puzdra môže a nemusí byť prispôsobená vyžarované farbe - takže napríklad aj červeno svietiaca dióda môže mať číre alebo difúzne puzdro.

125 LED DIODA Dióda vydávajúci biele svetlo sa tvoria doplnením modré diódy o žltý či žltozelený luminofor, alebo kombináciou troch RGB diód v jednom puzdre. Vyrába sa ultrafialové, infračervené aj viacfarebné LED diódy (s viacerými vývodmi) či blikajúce diódy. Pretože LED dióda sa zapája k zdroju v priepustnom smere, je potreba ochranným odporom obmedziť maximálny prúd diódou podľa katalógových hodnôt. Reguláciou prúdu možno riadiť jas diódy.

126

127

128

129 LED dioda v priepustnom smere

130 Charakteristické hodnoty

131

132 Druhy LED diód Ultrafialové (UV) LED- výkonom nad 10 mw Infračervené (IR) LED-vhodné ako zdroje IR žiarenia do diaľkových ovládaní Jednofarebné (monochromatické) LED Biele LED RGB LED červená,zelená,modrá a biela Fluorescenčné LED Ultralight LED- LED s výkonom aj viac ako 1 W.Svietivosť viac ako 100 mcd

133 Display Kontrolky Aplikácie LED diód optické oznamovacie vlákna - infračervené žiarenie Svietidla svetlá pre automobilovú techniku Signalizácia pre robotizované pracoviská

134 Laserové diódy

135 Laserova dióda

136 zdroj laserovehosvetla. Laserové diódy Laserové LED majú vyššie nároky na parametre ako klasické LED. Predovšetkým majú laserové LED užšiu šírku pásma v ktorom vyžarujú (max. +/-5 nm). Základným problémom laserových diód je chladenie a stabilizácia výkonu (ktorý podobne ako pri LED závisí silne od teploty). Výkon rádovo jednotky až stovky mw Vlnová dľžka nm;

137 Parametre laserov 1. vlnová dĺžka [nm] - určuje, v akej časti spektra sa bude laserový lúč pohybovať. Vlnová dĺžka je navyše dôležitá aj pre veľkosť stopy laseru. 2. výkon lasera [W]

138 Materialy diód Svetelné i laserové diódy sa vyrábajú z intermetalických zliatin (polovodičových zlúčenín), z karbidu kremičitého (SiC), Arzenidu gáli(gaas), Fosforidu gália(gap), alebo zo zliatin typu gálium-arzenid-fosfid a ďalších.

139 Aplikácie laserovej diódy Výkonný laser z DVD-RW Jedna je infračervená (pálila CD) a jedna červená (pálenie DVD). Obe diódy majú rádovo rovnaký výkon a tepelné účinky (tá infra páli o niečo viac). Svetlo tej infra je však takmer neviditeľné (a preto veľmi nebezpečné!!!). Pozor! Laserové diódy z DVD-RW vyžarujú viditeľné a neviditeľné laserové žiarenie a sú extrémne nebezpečné! Ich svetlo môže nenávratne poškodiť zrak. Nikdy sa nesmiete pozrieť do pracujúci diódy ani ju nasmerovať na lesklé povrchy. Laserový lúč môže spôsobiť popálenie alebo požiar.

140 Laserová dioda aplikácia

141 Integrovaný obvod (skratka IO, ang.. Integrated Circuit - skratka IC) je zložitá alebo jednoduchá elektronická súčiastka V relatívne malom puzdre obsahuje viacero prvkov pri mikroprocesoroch až niekoľko stovky miliónov prvkov (predovšetkým tranzistorov, diód, rezistorov a kondenzátorov).

142 Integrovaný obvod integrovaný obvod-obsahuje rádovo milióny tranzistorov Kremíkový plátok obsahuje rádovo stovky integrovaných obvodov tranzistor Ústav informatiky

143 História IO První integrovaný obvod zkonstruoval Jack St. Clair Kilby z firmy Texas Instruments již v roce Ve stejném roce vytvořil IO také Robert Noyce z Fairchild Semiconductor. Kilbyho integrovaný obvod byl na destičce z germania (tento materiál může mít 1 000x větší znečištění, než křemík). Měl velikost 11 1,6 mm a obsahoval jediný tranzistor a pouze několik pasivních součástek. Jeho patent je z roku 1964 a má číslo V roce1966 sestavil z IO první kapesní kalkulačku, která uměla čítat, odčítat, násobit a dělit. V roce 2000 se Kilby dožil i Nobelovy ceny za fyziku.

144 Výhody IO Hlavní výhody integrovaných obvodů: miniaturizace, stále se zvyšující výkon, nižší energetické nároky na provoz, spolehlivost, hromadná sériová výroba snižuje cenu.

145 Využitie IO IO se využívají ve veškeré spotřební elektronice, ve vědeckých zařízeních, v družicích a v průmyslu. Některá zařízení obsahující integrované obvody: televize, videa, satelitní přijímače, dálková ovládání, rádia, CD či MP3i MP4 přehrávače, digitální hodinky, kalkulačky, mobilní telefony, vysílačky, GPS přijímače, fotoaparáty, digitální fotoaparáty, počítače, tiskárny, monitory, PDA, auta, letadla a další dopravní prostředky, lékařské, vědecké a měřicí přístroje.

146

147 Rozdelenie IO Podle technologického hlediska: monolitické IO (bipolární, unipolární) vrstvové IO (tenkovrstvové, hrubovrstvové) hybridní IO

148 Rozdelenie IO Podle stupně integrace (složitosti): malá integrace (SSI) - maximálně 100 součástek střední integrace (MSI) - maximálně 1000 součástek velká integrace (LSI) - více jak 1000 součástek velmi velká integrace (VLSI) součástek ultra velká integrace (ULSI, ELSI) součástek a více

149

150 Rozdelenie IO podľa stupňa integrácie: Typ Počet tranzistorov Typická aplikácia SSI MSI LSI VLSI ULSI , , ,000 >500,000 Logické hradlá.. Registre, filtre... 8-bitový mikroprocesor bitový mikroprocesor.. 64-bitový mikroprocesor...

151 Rôzne kritéria delenia IO Vedle dělení na monolitické a hybridní existuje celá řada dalších kritérií, podle kterých je lze IO dělit. Patří mezi ně například: analogové nebo číslicové obvody, unipolární a bipolární obvody, programovatelné a neprogramovatelné obvody, sériově a zakázkově vyráběné obvody

152 Rozdelenie IO Podle druhu zpracovávaného elektrického signálu: analogové (lineární) IO - zpracovávají elektrický spojitý signál, měnící se s časem číslicové (logické) IO - zpracovávají logické dvoustavové a digitální signály

153 Monolitické IO Monolitické IO dnes jasně převažují. Jejich jednotlivé součástky jsou vytvořeny a vzájemně spojeny (s pomocí difuze a epitaxe) na jediné polovodičové, nejčastěji křemíkové destičce. Křemíková destička paměti EPROM o kapacitě 256 x 8 bitů ze 70. let, kterou bylo možno mazat ultrafialovým zářením (proto měla paměť průhledné okénko). Matice paměťových buněk jsou dvě obdélníkové pravidelně mřížované části v horní polovině destičky. Celkově byl tento obvod složen z necelých součástek (tranzistorů).

154 Hybridné IO Hybridní integrované obvody se zpravidla skládají z tenké keramické destičky, na kterou jsou metodou sítotisku naneseny vodivé spoje, rezistory a přilepeny křemíkové destičky s diskrétními polovodičovými součástkami nebo jednoduššími monolitickými integrovanými obvody. Případně mohou být na tutéž destičku přilepeny i další součástky jako například kondenzátory nebo cívky. Hodnoty odporu rezistorů lze na destičkách hybridních obvodů případně pomocí laseru velmi přesně doladit.

155 Hlavné výhody integrovaných obvodov: a) malý objem b) malá hmotnosť c) malý príkon d) Väčšia spoľahlivosť e) väčšia odolnosť proti vonkajším vplyvom

156 Príklad NF zosilňovača v IO

157 PUZDRÁ IO Pouzdra integrovaných obvodů THT součástky součástky s vývody, jež se osadí do otvorů v plošném spoji a zapájí. SMD součástky součástky, které nepotřebují otvory v plošném spoji.

158 Doska plošných spojov Integrované obvody ako časti väčšieho systému doska plošného spoja integrované obvody Zlaté pásiky sú spoje medzi vstupmi /výstupmi/ jednotlivých integrovaných obvodov Tie svetlé plôšky sú vstupy /výstupy/ integrovaného obvodu

159 Použitie laserovej diódy v tlačiarni