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