Lekce 3 - Arduino - Polovodičové elektronické součástky

V předchozí lekci, Arduino - Pasivní elektronické součástky, jsme se seznámili s pasivními elektronickými součástkami - rezistorem a kondenzátorem.

Dnešní Arduino tutoriál věnujeme seznámení s polovodičovými součástkami. Nebudeme se jimi zabývat do hloubky, raději se zaměříme na dva jejich představitele, které se společně s Arduinem používají velice často. Jsou jimi LED dioda a tranzistor.

Polovodičové součástky

Co je to vlastně polovodič? Polovodič je pevná látka s kovalentními krystaly, která vodí elektrický proud za určitých vnitřních nebo vnějších podmínek. Může se jednat například o změnu tepla nebo elektrického proudu.

Polovodiče mají velký měrný odpor. Měrný odpor vyjadřuje vlastnost látky z pohledu vedení elektrického proudu. Měříme tedy, jak dobře vede látka proud. Měrný odpor je dán vnitřní strukturou vodiče a určuje ho počet volných elektronů schopných přenášet náboj. Měrný odpor je v tabulkách udáván pro teplotu 20°C.

Polovodičové materiály

Materiály, které se používají pro výrobu polovodičů jsou:

• Křemík (Si) je čtyřvazný prvek, který využíváme k výrobě polovodičů nejčastěji. Na Zemi ho nenajedeme čistý, ale lze jej nalézt například ve formě křemene či písku. Můžeme jej používat ve vysokých teplotách (až 400 K) a má také dobré optické vlastnosti. Vodivost má vyšší než Germanium. V porovnání s Germaniem má také delší životnost. Přesněji jde o tzv. monokrystalický křemík, ze kterého se vyrábí mikroprocesory, paměti, tyristory, diody a tranzistory.
• Germanium (Ge) má vysoké zbytkové proudy a rozptyl parametrů součástek. Proto se využívá jen speciálně, především ve vysokofrekvenčních součástkách či detektorech jaderného záření. Ve vysokofrekvenčních polovodičových součástkách se využívá monokrystalické Germanium.
• Selen (Se) se využívá k výrobě selénových válců u laserových tiskáren, ve fotoelektrických článcích nebo selenových usměrňovačích.
• Telur (Te) se používá jako složka polovodičových sloučenin, protože má dobré fotoelektrické a termoelektrické vlastnosti.

LED (Light Emitting Diode)

LED světla, která se někdy nazývají luminiscenční diody, dělíme na dva typy. Rozpoznáváme diody vyzařující viditelné spektrum (barevné) a neviditelné spektrum (infračervené).

Existují také RGB ledky, které mohou vyzařovat červenou, zelenou a modrou barvu. Využívají se pro signální světla, nebo zdrojová světla.

Samotná barva LED není určena barvou pouzdra, ale druhem polovodičového materiálu uvnitř diody.

Schématická značka vypadá takto:

V Arduinu LED pracují na poměrně nízké napětí - asi 1,5 až 3 V, proto se často kombinují s rezistorem, aby neměly problém s 5V logikou Arduina. V projektech jsou nejčastěji používány na signalizaci libovolného stavu.

Musíme také zmínit, že dioda má dva póly - kladný a záporný. Kladný pól se nazývá anoda, záporný katoda. Při špatném zapojení LED nebude fungovat. Způsobů, jak správně určit pól u LED je hned několik. Póly diody poznáme podle délky nožiček, kratší nožička náleží zápornému pólu a ta delší kladnému pólu. Druhý způsob pro zjištění pólu je, že se koukneme na LED ze shora a uvidíme rovně vyříznutou část, díky které poznáme záporný pól.

Diody se vyrábí v různých variantách, jak můžeme vidět na následujícím obrázku:

Tranzistor

Tranzistor je polovodičová součástka, kterou tvoří dvojice přechodů PN. Tranzistory jsou základní aktivní součástky, které se používají jako zesilovače, spínače a invertory. Základní vlastností tranzistoru je schopnost zesilovat. Malé změny napětí nebo proudu na vstupu mohou vyvolat velké změny napětí nebo proudu na výstupu. Podle výkonu dělíme tranzistory na běžné (zpracovávají signál), výkonové (slouží ke spínání) a středně výkonové:

Bipolární tranzistor

Bipolární tranzistory dělíme opět na dvě hlavní skupiny: PNP a NPN tranzistory.

PNP tranzistor musí mít na kolektoru připojeno kladné napětí a NPN záporné napětí. Oba vytvářejí dvě dvojice PN přechodů. NPN a PNP znázorňuje následující schéma:

Vidíme, že tranzistor má tři vývody, písmeno B značí bázi, písmeno C označuje kolektor a písmeno E značí emitor. Tranzistorem musí protékat proud dle šipky v jeho schematické značce. U NPN tranzistoru tedy protéká proud od kolektoru k emitoru, u PNP tranzistoru protéká proud obráceně, tedy od emitoru ke kolektoru.

Báze je prostřední elektroda tranzistoru. Společně s emitorem tvoří PN přechod polarizovaný v propustném směru. S malým napětím a při správné polaritě, začne téci přechodem báze - emitor malý proud společně s velkým proudem v obvodu kolektor - emitor. Emitor je elektroda příslušející bipolárnímu tranzistoru. Společně s bází tvoří polovodičový přechod báze - emitor, orientovaný v propustném směru. Polarita napětí, které připojujeme k emitoru, se liší podle NPN či PNP tranzistoru.

Unipolární tranzistor

Unipolární tranzistory se ovládají, na rozdíl od bipolárních, pouze napětím. To znamená, že mají vysoký vstupní odpor a vytváří se na nich velmi malé výkonové ztráty oproti bipolárním tranzistorům. Unipolární tranzistory jsou řízeny elektrickým polem (FET – Field Effect Transistor), díky němu se reguluje velikost proudu procházející vodivým kanálem polovodiče typu N či P.

Název unipolární označuje skutečnost, že tyto tranzistory využívají pouze jeden typ nosičů – elektrony či díry, dle typu vodivého kanálu. Jak již víme, bipolární tranzistory oproti tomu využívají oba typy. U bipolárních tranzistorů určujeme kolektor, emitor a bázi, u unipolárních tranzistorů určujeme source, drain a gate.

Fototranzistor

Jako poslední si představíme fototranzistor. Jedná se o typ polovodičové součástky, která využívá fotoelektrický jev. Fototranzistor je velice podobný běžnému tranzistoru, avšak místo báze spínající tranzistor proudem má bázi spínající tranzistor světlem. Čím je osvětlení větší, tím více se uvolňuje elektronů a děr a tím více tranzistor vodí. Fototranzistor je mnohem citlivější než fotodioda, má větší teplotní závislost a malý frekvenční rozsah.

Nevýhodou takovýchto tranzistorů je poměrně nízká rychlost působení, která znemožňuje, aby fototranzistory pracovaly s frekvencí vyšší než 50 kHz.

To je pro seznámení se základními součástkami, které se používají v Arduinu vše. V dalších lekcích si představíme další komponenty, zároveň si ale už také něco naprogramujeme.

V další lekci, Arduino - Projekty s LED diodami a tlačítkem, se pustíme do programování. Ukážeme si dva jednoduché obvody s LED diodami a napíšeme si kód pro jejich obsluhu.