Fyzikální praktikum, studijní text

### Relaxační kmity

Diak

obr. 1

Diak je spínací třívrstvý symetrický polovodičový systém s dvěma elektrodami. Na obr. 1 je zakresleno schema jeho struktury. Jedná se v podstatě o zapojení tranzistoru se společným emitorem s nulovým proudem bází, který pracuje ve spínacím provozu na rozhraní aktivní oblasti a oblasti průrazu. Část charakteristiky mezi body 0, A (obr. 2), při opačné polaritě 0, A', je proto shodná s výstupní charakteristikou tranzistoru pro IB = 0. Jakmile napětí na diaku překročí hodnotu spínacího napětí UB0, dochází k lavinovému průrazu přechodu zapojeného v závěrném směru a napětí na diaku poklesne o delta U, tj. zmenší se jeho stejnosměrný odpor. Hodnota delta U je závislá na velikosti poudu diakem, s rostoucím proudem se delta U zvětšuje. Pro diak `KR 105` je při proudu 1 A delta U téměř rovné UB0, což znamená, že UzhUzh ~ 0. Proud 1 A však nemůže téci diakem trvale, neboť maximální přípustný výkon přeměněný v teplo na diaku může být 300 mW. Charakteristika diaku je téměř symetrická, odchylky od symetrie jsou způsobeny technologií výroby. Symetrií charakteristiky diaku je nazývána hodnota |UB01 - UB02|. Diaky typu `KR` vyráběné u nás mají spínací napětí UB0 v intervalu 20 až 40 V.

Diaku se nejčastěji používá v kombinaci s dalším spínacím prvkem, triakem. Pomocí diaku se zpravidla spíná triak.

obr. 2

Měření voltampérové charakteristiky diaku

Použijeme zapojení na obr. 3. Na svorky 1, 2 je připojen regulovatelný zdroj stejnosměrného napětí. Odpor R musí být nastven na hodnotu nejméně 3 kOhm. Zvyšujeme napětí na diaku až do okamžiku, kdy dojde k průrazu, což se projeví vzrůstem prudu v obvodu a poklesem napětí na diaku. Charakteristiku proměříme postupnými změnami odporu R a případně i zvyšováním napětí zdroje U0. Na přístrojích odečítáme hodnoty proudu a napětí, přičemž dbáme na to, abychom nepřekročili ztrátový výkon P = 300 mW. Zároveň nesmíme překročit proud odporovou dekádou nad hodnotu stanovenou výrobcem.

obr. 3

Relaxační kmity v obvodu s diakem

Voltampérová charakteristika diaku je částečně podobná charakteristice doutnavky (viz obr. 2 úlohy 13). Diaku proto můžeme použít mimo jiné též ke generování ralaxačních kmitů. Schéma takového zapojení je zakresleno na obr. 4. Paralelně k diaku je připojen kondenzátor C a oba tyto prvky jsou přes odpor R připojeny ke zdroji U0, U0 > UB0. Po zapnutí klíče K (v okamžiku t = 0) začne na kondenzátoru vzrůstat napětí podle vztahu

| (1)

Jakmile dosáhne hodnoty U = UB0 (v čase t1), dojde k sepnutí diaku, diakem poteče proud a kondenzátor se vybije až na hodnotu zhášecího napětí Uzh, při kterém přestane diakem téci proud.

obr. 4

Diak přejde do nesepnutého stavu a jeho odpor se o několik řádů zvýší. Kondenzátor se znovu nabíjí a celý děj se opakuje. V ideálním případě (pokud by odpor sepnutého diaku byl nulový) by průběh pozorovaný na osciloskopu připojenému ke svorkám 3, 4 odpovídal průběhu na obr. 5a. Ve skutečnosti však poklesne při vybíjení napětí na diaku pouze na hodnotu Uzh > 0. Skutečný průběh pak odpovídá obr. 5b. Napětí Uzh závisí na velikosti proudu, který teče diakem v sepnutém stavu. Tento proud je však časově závislý, takže i při známé charakteristice diaku není jednoduché předem stanovit Uzh. Tato veličina se však bude zmenšovat k nule s rostoucí kapacitou kondenzátoru. Kondenzátor se nabíjí na napětí UB0 a s růstem kapcity se zvětšuje náboj Q ~ C. UB0 a tím i celkový proud, který projde diakem.

obr. 5a | obr. 5b

Časový průběh nabíjecího napětí na kondenzátoru je dán vztahem

| (2)

který platí tehdy, pokládáme-li odpor nesepnutého diaku za nekonečně velký. Napětí U se nezvyšuje až na hodnotu U0, ale jen do hodnoty UB0, při které diak sepne. Z toho můžeme vypočítat závislost nabíjecí doby t1 na hodnotě časové konstanty tau = RC a na napětí zdroje U0. Uvažujme jediný kmit, který začne v čase t = 0, kdy U = Uzh, napětí na diaku se pak zvyšuje podle vztahu (2) až do doby, ve které U = UB0. Příslušný čas bude t1, takže

| (3)

Z této rovnice vypočítáme t1

| (4)

Pokud by odpor diaku v sepnutém stavu rs byl nulový, byla by nulová i doba vybíjení t2 a t1 by bylo rovno době kmitu T. Tento předpoklad není obecně splněn, ovšem při většině měření bude t2 << t1 a dobu t1 můžeme pokládat za periodu kmitů T. V daném případě se t1 bude výrazněji lišit od T, bude-li t2 <10-4 s. Poměr dob t1 a t2 můžeme odhadnout z průběhu kmitů pozorovaných na obrazovce osciloskopu. Pro vybíjecí dobu t2 platí přibližně výraz formálně shodný s výrazem (4), ve kterém by místo hodnoty odporu R vystupoval odpor rs diaku v sepnutém stavu. Odpor rs je však závislý na proudu tekoucím diakem, tedy jak na čase, tak i na hodnotě kapacity C. Změříme-li však hodnotu t2, což lze pomocí osciloskopu při vysokém kmitočtu relaxačních kmitů, je možno z upraveného vztahu (4) určit přibližnou efektivní hodnotu odporu rs.

Pokyny pro měření

Relaxační kmity se vybudí v obvodu na obr. 4. Doba kmitu je závislá především na hodnotě součinu RC. Doporučujeme nastavit E ~ 40 V, R ~ 104 Ohm, C ~ 10 nF až 1 mF. Diak připojujeme k vertikálnímu vstupu osciloskopu (svorky 3, 4). Časový průběh kmitů pozorujeme při využití vnitřní časové základny osciloskopu.

Při proměřování závislosti frekvence relaxačních kmitů na napětí zdroje U0 měníme toto napětí v rozsahu 40 až 110 V, odpor R a kapacitu C nastavíme tak, aby se frekvence měnila minimálně v rozsahu 200 - 1000 Hz. Pro měření frekvence používáme čítače, na osciloskopu odečítáme výšku kmitů, která odpovídá rozdílu UB0 - Uzh. Při znalosti UB0, které odečteme z naměřené statické charakteristiky, lze určit Uzh. Dosazením hodnot U0, UB0, Uzh, R, C do vztahu (4) ověřujeme platnost tohoto vztahu i přesnost měření.

Literatura

[1] H. Frank, V. Šnejdar: Principy a vlastnosti polovodičových součástek, SNTL, Praha 1976

Tomáš Drbohlav | [ Chyba Zpět Literatura ]