Elektronika

Maturitní otázky

ŠUM AKTIVNÍCH A PASIVNÍCH SOUČÁSTEK, TEPLOTNÍ POMĚRY A ZTRÁTOVÝ VÝKON

4. Šum aktivních a pasivních součástek, teplotní poměry a ztrátový výkon aktivních součástek

Teplotní součinitel odporu

Teplotní součinitel odporu rezistoru dovoluje určit změnu odporu rezistoru způsobenou změnou  jeho teploty o 1° v rozsahu teplot ve kterých je změna odporu vratná. Uhlíkové rezistory mají součinitel T_k  záporný.

Složení odporové vrstvy metalizovaných rezistorů je voleno tak,aby jejich teplotní součinitel byl co nejmenší. Je to katalogová hodnota.

Šumové napětí rezistoru

Vlivem nerovnoměrného pohybu elektronů uvnitř materiálu součástky vznikají mezi vývody  rezistorů malé časově nepravidelné změny potenciálu.

Kdybychom tyto změny zesílili a přivedli je jako signál do reproduktoru nebo sluchátek, slyšeli bychom charakteristický zvuk, který nazýváme šum elektronického obvodu.

Příčinou šumu je šumové napětí, které má dvě hlavní složky - tepelné šumové napětí a povrchové šumové napětí.

kde k = 1,38.10^-23J/K je Boltzmanova konstanta

Q absolutní teplota rezistoru s odporem R

B_š šířka frekvenčního pásma, ve kterém se bude daný tranzistor v daném případě pouužívat. (tzn. Šumová šířka pásma).

Povrchové šumové napětí závisí na velikosti stejnosměrného napětí přiloženého na rezistor. Udává se v mikrovoltech na l volt přiloženého napětí. Jeho efektivní hodnota U_šP1V je pro metalizované rezistory asi 0,5 až 1mV/V. Pro rezistory uhlíkové se efektivní hodnota vypočítá ze vstahu  – podle typu rezistoru I nebo II. Je uvedeno v katalogu.

Celkové šumové napětí lze vypočítat : , kde

Protože ke vzniku šumového napětí je třeba, aby časově nerovnoměrný průchod elektronů částí obvodu způsobil mezi dvěma body obvodu odpovídající rozdíly potenciálu, vzniká šumové napětí na všech reálných odporech, nejen na rezistorech. Šumové napětí vzniká též na spojovacích vodičích v zapojení obvodů, ale i na aktivních součástkách. Indukční ani kapacitní reaktance nejsou příčinou vzniku šumového napětí. Šumové napětí se přidává k užitečnému signálu, který prochází obvodem.

Je-li užitečný signál slabý, je obtížné ho od šumového napětí odlišit. Proto je velikost šumového napětí činitelem omezujících dosažitelnou citlivost elektronických zařízení.

Ztrátový výkon diody

Ztrátovým výkonem diody rozumíme výkon, který se při průchodu proudu mění v diodě na teplo. Vlivem ztrátového výkonu se dioda ohřívá.

Aby nedošlo k poškození diody, nesmí teplota přechodu přestoupit pro germanium asi 100 °C a pro křemík asi 200 °C. Této teplotě přechodu odpovídá největší přípustný ztrátový výkon diody, který se nazývá dovolená anodová ztráta. Dovolená anodová ztráta závisí na ochlazování diody. Čím je ochlazování účinnější, tím může být výkon větší a teplota nestoupne nad stanovenou mez. ochlazování je závislé na rozdílu mezi teplotou přechodu a teplotou okolí a na odporu, který je kladen odváděním tepla z diody do okolí. Růst dovolené anodové ztráty je při nízkých teplotách omezen hodnotou, kterou stanoví výrobce diod. Tato hodnota nesmí být překročena ani při nejnižších teplotách okolí. Tepelný odpor se skládá ze dvou částí. Jedna je předávání tepla z přechodu do pouzdra diody a druhá předávání tepla z pouzdra do okolí.

Tepelný odpor mezi pouzdrem a okolím můžeme zmenšit zlepšením odvádění tepla z pouzdra diody, např. připevněním diody k chladící desce.

Vliv teploty na vlastnosti tranzistoru

Při zvyšování teploty se zvyšuje vlastní vodivost polovodiče. Nevlastní vodivost se nemění. Rostoucí vlastní vodivost polovodičového materiálu při vzrůstu teploty se v tranzistoru projevuje těmito příznaky:

1)    Růstem zbytkového proudu, z toho plynoucím zvětšováním proudu kolektoru, zkreslováním průběhu výstupních charakteristik a zmenšováním dovolených napětí mezi elektrodami. Stejně jako pro zpětný proud diod platí i pro zbytkový proud tranzistoru, že při vzrůstu teploty o 1 °C vzroste proud I_cb 0 asi o 7 %. Tzn. Při zvýšení teploty o 10 °C proud I_cb 0 vzroste na dvojnásobek.

2)    Zmenšováním napětí báze - emitor. Tím dochází ke zkreslování tvaru vstupní charakteristiky

3)    Změnou vlastností tranzistoru. Dochází třeba k růstu proudového zesilovacího činitele h21e.

Vysílací elektronky

Vysílací elektronky, určené pro práci při frekvenci do několika set megahertzů se principem činnosti neliší od elektronek přijímacích. Konstrukčně jsou však upraveny tak, aby byly schopny dodat do zátěže požadované velké výkony. Vzhledem k velké anodové ztrátě a značnému žhavícímu příkonu je nutné elektronky intenzivně chladit.

 K tomuto účelu jsou anody opatřeny chladícími žebry (podobně jako válce spalovacích motorů). Malé elektronky do anodové ztráty několik kilowattů jsou chlazeny přirozeně sáláním a vedením tepla přes objímku a  přívody. Větší elektronky používají nucené chlazení. Do anodové ztráty asi 50 kW se používá chlazení vzduchové (ofukováním anody proudem chladného vzduchu). Při ztrátách nad 50 kW je dnes nejběžnější vodní chlazení odpařováním.

Měděná anoda je opatřena chladícím pláštěm tvořeným měděným blokem, ve kterém jsou vytvořeny podélné kanálky a na jehož povrchu jsou masivní výstupky pro zvětšení chladící plochy. Chladící plášť je ponořen do destilované vody v uzavřené odpařovací nádobě. Vznikající pára se odvádí do kondenzačního zařízení a ochlazená voda se vrací zpět do odpařovací nádoby. Chlazení je velmi účinné.