úvod
Kovy vedú prúd dobre, izolanty skoro vôbec. Medzi nimi sú polovodiče, napríklad kremík a germánium. Ich vodivosť sa dá meniť teplom, svetlom aj malým množstvom prímesí. Preto sa z nich vyrábajú súčiastky, ktoré prúd riadia: diódy, LED, snímače, tranzistory a čipy.
teória
Dióda
Dióda pustí prúd len jedným smerom, podobne ako ventil na bicyklovej duši pustí vzduch len dnu. Má dva vývody: anódu a katódu. Keď je anóda pripojená ku kladnému pólu, dióda je zapojená v priepustnom smere a prúd ňou ide. Keď ju otočíš, je v závernom smere a prúd skoro nejde.
Na schéme má dióda značku trojuholníka s čiarkou. Trojuholník ukazuje smer prúdu, čiarka je katóda. Na puzdre diódy je katóda označená pásikom.
Dióda chráni prístroje pred zle vloženými batériami a v nabíjačkách mení striedavý prúd zo zásuvky na jednosmerný.
teória
LED
LED (svetelná dióda) svieti, keď ňou ide prúd v priepustnom smere. Dlhšia nožička je anóda a patrí ku kladnému pólu. Farba svetla závisí od materiálu: červená LED potrebuje asi 2 V, modrá a biela asi 3 V.
LED znesie prúd okolo 20 mA. Priamo na batériu by ňou išiel oveľa väčší prúd a spálila by sa. Preto sa k nej vždy zapája rezistor za sebou, ktorý si vezme zvyšok napätia. Jeho odpor je napätie, ktoré na ňom ostane, delené prúdom LED:
R = (napätie zdroja − napätie LED) : I
Pre červenú LED na batériu 4,5 V vychádza R = 2,5 V : 0,02 A = 125 Ω. Použije sa najbližší väčší rezistor, napríklad 150 Ω. LED žiarovka dá rovnako svetla ako stará žiarovka s viac ako šesťkrát väčším príkonom.
teória
Snímače svetla a teploty
Fotorezistor má potme veľký odpor, na svetle oveľa menší. Svetlo v ňom uvoľní ďalšie nosiče náboja. Používa sa v súmrakových spínačoch, ktoré večer zapnú pouličné lampy.
Termistor pri zohriatí zmenší odpor. V kove je to naopak, odpor s teplotou rastie. Termistor meria teplotu v teplomeroch, v rýchlovarnej kanvici, v práčke aj v motore auta.
súčiastky v stavebnici
Čo je čo
Hore značka, ktorou súčiastku kreslíš do schémy, pod ňou ako vyzerá naozaj. V stavebnici ich prepneš tlačidlom Schéma a Reálne.
- DiódaPolovodičová súčiastka, ktorá vedie prúd len jedným smerom, ako ventil. V priepustnom smere začne kremíková dióda viesť od asi 0,7 V, v závernom smere prúd skoro nejde.Na značke ukazuje trojuholník smer prúdu. Čiarka (pásik na puzdre) je katóda, patrí k zápornému pólu.
- LEDSvetelná dióda z polovodiča. Svieti, len keď ňou ide prúd v priepustnom smere: dlhšia nožička (anóda) ku kladnému pólu. Na značke ide prúd v smere trojuholníka k čiarke.LED znesie asi 20 až 30 mA. Bez rezistora za sebou sa spáli.
- FotorezistorSnímač svetla. Na svetle má malý odpor, potme veľký. S rezistorom tvorí delič napätia, ktorý zistí, či je tma.
- TermistorSnímač teploty z polovodiča. Keď sa zohreje, jeho odpor klesne. Používa sa v teplomeroch, v rýchlovarných kanviciach aj v autách.
V stavebnici postavíš podľa schémy obvod s diódou tak, aby žiarovka svietila, a nájdeš rezistor k LED. Na strednej škole zmeriaš voltampérovú charakteristiku diódy a kalibračnú krivku termistora.
vyskúšaj si
Stavebnica: dióda a snímače
Stavebnica sa načíta v prehliadači.
Zapamätaj si: dióda vedie prúd len v smere trojuholníka na značke. LED vždy zapoj s rezistorom a dlhšou nožičkou ku kladnému pólu. Fotorezistor má na svetle menší odpor, termistor po zohriatí.
Vlastná a prímesová vodivosť
V čistom kremíku sú všetky elektróny viazané vo väzbách medzi atómami. Pri vyššej teplote alebo osvetlení sa niektoré uvoľnia a po každom ostane prázdne miesto, diera, ktorá sa správa ako kladný náboj. To je vlastná vodivosť a s teplotou rastie. Preto odpor polovodiča pri zohriatí klesá, kým odpor kovu rastie.
Oveľa väčšiu vodivosť dajú prímesi. Päťmocný fosfor v kremíku má jeden elektrón navyše, ktorý sa ľahko uvoľní: vznikne polovodič typu N s väčšinovými nosičmi elektrónmi. Trojmocný bór má jeden elektrón málo a vytvorí dieru: vznikne polovodič typu P s väčšinovými nosičmi dierami.
Prechod PN
Na rozhraní typu P a N sa voľné elektróny a diery navzájom zaplnia. Vznikne tenká vrstva bez voľných nosičov, ktorá prúd nepúšťa. Keď pripojíš P ku kladnému pólu, vrstva sa zúži a nad prahovým napätím asi 0,6 až 0,7 V pre kremík (0,3 V pre germánium) prúd prudko rastie. Pri opačnom zapojení sa vrstva rozšíri a ide len nepatrný záverný prúd.
Voltampérová charakteristika diódy preto nie je priamka: pod prahovým napätím je prúd skoro nulový, nad ním rastie veľmi strmo. Ohmov zákon so stálym odporom pre diódu neplatí.
Usmerňovač
Striedavý prúd zo zásuvky mení smer stokrát za sekundu. Jedna dióda prepustí len polovicu kmitov (jednocestný usmerňovač). Štyri diódy zapojené do mostíka (Graetzov mostík) otočia aj druhú polovicu, takže prúd ide spotrebičom stále rovnakým smerom. Kondenzátor potom napätie vyhladí. Takto pracuje každá nabíjačka.
Snímač v deliči napätia
Snímač sa zapája s rezistorom R do deliča napätia. Napätie na snímači s odporom Rₛ je U · Rₛ : (R + Rₛ). Keď sa zotmie, odpor fotorezistora narastie a napätie na ňom stúpne. Toto napätie môže otvoriť tranzistor, ktorý zapne svetlo. Rovnako termistor v deliči dá napätie, ktoré zodpovedá teplote.
skús doma LED na gombíkovej batérii
Potrebuješ: gombíková batéria CR2032 (napríklad z ovládača alebo z váhy), jedna alebo viac LED.
- Nájdi na batérii kladný pól. Je to plochá strana so znamienkom plus a nápisom.
- Nasuň LED na batériu tak, aby dlhšia nožička bola na plusovej strane a kratšia na druhej. LED sa rozsvieti.
- Otoč LED, dlhšou nožičkou na mínus. LED nesvieti, v závernom smere prúd nejde.
- Prilož LED tak, aby sa obe nožičky dotýkali tej istej strany batérie. Prečo nesvieti ani teraz?
Prečo? LED je dióda a vedie, len keď je anóda (dlhšia nožička) na kladnom póle. Podľa tejto lekcie sa LED bez rezistora spáli. Gombíková batéria má však veľký vnútorný odpor a ten obmedzí prúd namiesto rezistora. Na plochú batériu 4,5 V LED bez rezistora nikdy nedávaj.
Gombíkovú batériu nikdy nedávaj do úst a odlož ju mimo dosahu malých detí. Prehltnutá batéria je veľmi nebezpečná.
rozšírenie Modrá LED za Nobelovu cenu
Červené a zelené LED existovali už v 60. rokoch, modrá dlho chýbala. Bez nej sa nedalo zložiť biele svetlo. Až začiatkom 90. rokov vyrobili jasnú modrú LED z nitridu gália japonskí vedci Isamu Akasaki, Hiroshi Amano a Shuji Nakamura. V roku 2014 za ňu dostali Nobelovu cenu za fyziku. Biela LED žiarovka je dnes modrá LED pokrytá žltým luminoforom a spotrebuje zlomok energie starej žiarovky.
teória
Časté chyby
- „Na otočení diódy nezáleží.“ V závernom smere dióda prúd skoro nepustí a LED nesvieti.
- „LED stačí pripojiť priamo na batériu.“ Bez rezistora prúd prekročí dovolenú hodnotu a LED sa spáli.
- „Zohriaty polovodič má väčší odpor ako studený.“ To platí pre kovy. Polovodič pri zohriatí vedie lepšie.
- „Dióda má stály odpor.“ Pod prahovým napätím skoro nevedie, nad ním jej odpor prudko klesá.
Ako polovodič zosilní slabý prúd a prečo sú v každom mobile miliardy tranzistorov, ukazuje ďalšia lekcia Tranzistor.