3. diel - Arduino - Polovodičové elektronické súčiastky
Dnešné Arduino tutoriál venujeme zoznámeniu s polovodičovými súčiastkami. Nebudeme sa nimi zaoberať do hĺbky, radšej sa zameriame na dvoch ich predstaviteľov, ktoré sa spoločne s Arduinom používajú veľmi často. Sú nimi LED dióda a tranzistor.
Polovodičové súčiastky
Čo je to vlastne polovodič? Polovodič je pevná látka s kovalentnými kryštálmi, ktorá vodí elektrický prúd za určitých vnútorných alebo vonkajších podmienok. Môže ísť napríklad o zmenu tepla alebo elektrického prúdu.
Polovodiče majú veľký merný odpor. Merný odpor vyjadruje vlastnosť látky z pohľadu vedenia elektrického prúdu. Meriame teda, ako dobre vedie látka prúd. Merný odpor je daný vnútornou štruktúrou vodiča a určuje ho počet voľných elektrónov schopných prenášať náboj. Merný odpor je v tabuľkách udávaný pre teplotu 20 °C.
Polovodičové materiály
Materiály, ktoré sa používajú na výrobu polovodičov sú:
- Kremík (Si) je štvorväzný prvok, ktorý využívame na výrobu polovodičov najčastejšie. Na Zemi ho nenájdeme čistý, ale možno ho nájsť napríklad vo forme kremeňa či piesku. Môžeme ho používať vo vysokých teplotách (až 400 K) a má aj dobré optické vlastnosti. Vodivosť má vyššiu ako Germánium. V porovnaní s Germániom má aj dlhšiu životnosť. Presnejšie ide o tzv. monokryštalický kremík, z ktorého sa vyrábajú mikroprocesory, pamäte, tyristory, diódy a tranzistory.
- Germánium (Ge) má vysoké zvyškové prúdy a rozptyl parametrov súčiastok. Preto sa využíva iba špeciálne, predovšetkým vo vysokofrekvenčných súčiastkach či detektoroch jadrového žiarenia. Vo vysokofrekvenčných polovodičových súčiastkach sa využíva monokryštalické Germanium.
- Selén (Se) sa využíva na výrobu selénových valcov u laserových tlačiarní, vo fotoelektrických článkoch alebo selénových usmerňovačoch.
- Telur (Te) sa používa ako zložka polovodičových zlúčenín, pretože má dobré fotoelektrické a termoelektrické vlastnosti.
LED svetlá, ktoré sa niekedy nazývajú luminiscenčné diódy, delíme na dva typy. Rozpoznávame diódy vyžarujúce viditeľné spektrum (farebné) a neviditeľné spektrum (infračervené).
Existujú aj RGB ledky, ktoré môžu vyžarovať červenú, zelenú a modrú farbu. Využívajú sa pre signálne svetlá, alebo zdrojové svetlá.
Samotná farba LED nie je určená farbou puzdra, ale druhom polovodičového materiálu vo vnútri diódy.
Schématická značka vyzerá takto:
V Arduine LED pracujú na pomerne nízke napätie - asi 1,5 až 3 V, preto sa často kombinujú s rezistorom, aby nemali problém s 5V logikou Arduina. V projektoch sú najčastejšie používané na signalizáciu ľubovoľného stavu.
Musíme tiež spomenúť, že dióda má dva póly – kladný a záporný. Kladný pól sa nazýva anóda, záporný katóda. Pri zlom zapojení LED nebude fungovať. Spôsobov, ako správne určiť pól pri LED je hneď niekoľko. Póly diódy spoznáme podľa dĺžky nožičiek, kratšia nožička patrí zápornému pólu a tá dlhšia kladnému pólu. Druhý spôsob na zistenie pólu je, že sa pozrieme na LED zhora a uvidíme rovno vyrezanú časť, vďaka ktorej spoznáme záporný pól.
Diódy sa vyrábajú v rôznych variantoch, ako môžeme vidieť na nasledujúcom obrázku:
Tranzistor
Tranzistor je polovodičová súčiastka, ktorú tvorí dvojica prechodov PN. Tranzistory sú základné aktívne súčiastky, ktoré sa používajú ako zosilňovače, spínače a invertory. Základnou vlastnosťou tranzistora je schopnosť zosilňovať. Malé zmeny napätia alebo prúdu na vstupe môžu vyvolať veľké zmeny napätia alebo prúdu na výstupe. Podľa výkonu delíme tranzistory na bežné (spracovávajú signál), výkonové (slúžia na spínanie) a stredne výkonové:
Bipolárny tranzistor
Bipolárne tranzistory delíme opäť na dve hlavné skupiny: PNP a NPN tranzistory.
PNP tranzistor musí mať na kolektore pripojené kladné napätie a NPN záporné napätie. Obaja vytvárajú dve dvojice PN prechodov. NPN a PNP znázorňuje nasledujúcu schému:
Vidíme, že tranzistor má tri vývody, písmeno B značí bázu, písmeno C označuje kolektor a písmeno E značí emitor. Tranzistorom musí pretekať prúd podľa šípky v jeho schematickej značke. U NPN tranzistora teda preteká prúd od kolektora k emitoru, u PNP tranzistora preteká prúd obrátene, teda od emitora ku kolektoru.
Báza je prostredná elektróda tranzistora. Spoločne s emitorom tvorí PN prechod polarizovaný v priepustnom smere. S malým napätím a pri správnej polarite, začne tiecť prechodom bázy - emitor malý prúd spoločne s veľkým prúdom v obvode kolektor - emitor. Emitor je elektróda prislúchajúca bipolárnemu tranzistoru. Spoločne s bázou tvorí polovodičový prechod bázy - emitor, orientovaný v priepustnom smere. Polarita napätia, ktoré pripájame k emitoru, sa líši podľa NPN či PNP tranzistora.
Unipolárny tranzistor
Unipolárne tranzistory sa ovládajú, na rozdiel od bipolárnych, iba napätím. To znamená, že majú vysoký vstupný odpor a vytvárajú sa na nich veľmi malé výkonové straty oproti bipolárnym tranzistorom. Unipolárne tranzistory sú riadené elektrickým poľom (FET – Field Effect Transistor), vďaka nemu sa reguluje veľkosť prúdu prechádzajúca vodivým kanálom polovodiča typu N či P.
Názov unipolárnej označuje skutočnosť, že tieto tranzistory využívajú iba jeden typ nosičov – elektróny či diery, podľa typu vodivého kanála. Ako už vieme, bipolárne tranzistory oproti tomu využívajú oba typy. U bipolárnych tranzistorov určujeme kolektor, emitor a bázu, u unipolárnych tranzistorov určujeme source, drain a gate.
Fototranzistor
Ako posledný si predstavíme fototranzistor. Ide o typ polovodičovej súčiastky, ktorá využíva fotoelektrický jav. Fototranzistor je veľmi podobný bežnému tranzistoru, avšak namiesto bázy spínajúcej tranzistor prúdom má bázu spínajúcu tranzistor svetlom. Čím je osvetlenie väčšie, tým viac sa uvoľňuje elektrónov a dier a tým viac tranzistor vodí. Fototranzistor je oveľa citlivejší ako fotodióda, má väčšiu teplotnú závislosť a malý frekvenčný rozsah.
Nevýhodou takýchto tranzistorov je pomerne nízka rýchlosť pôsobenia, ktorá znemožňuje, aby fototranzistory pracovali s frekvenciou vyššou ako 50 kHz.
To je pre zoznámenie so základnými súčiastkami, ktoré sa používajú v Arduine všetko. V ďalších lekciách si predstavíme ďalšie komponenty, zároveň si ale už aj niečo naprogramujeme.
V ďalšej lekcii, Arduino - Projekty s LED diódami a potenciometrom , na nás čakajú dva nové príklady s LED diódami. V pokročilom príklade si ukážeme, ako ich môžeme ovládať pomocou potenciometra.
