Feszültségstabilizáló és határoló kapcsolások

Átírás

1 5. Fejezet. Stabilizáló és határoló kapcsolások 5 Feszültségstabilizáló és határoló kapcsolások A logikai áramköröket, mikrovezérlőket tartalmazó alkalmazások jól definiált, zavartalan és stabil egyenfeszültséget igényelnek. A tápvonal bizonytalanságait, kisebb zajait a feszültségstabilizátor képes elhanyagolhatóvá redukálni. A legegyszerűbb ilyen áramkör a Zener-diódás feszültségstabilizátor, mely lényegében egy ellenállásból és egy Zener-diódából álló feszültségosztó. Hátránya, hogy működése feltételezi, hogy az őt követő áramkör bemeneti ellenállása jóval nagyobb, mint a Zener-dióda dinamikus ellenállása a munkapontban, és gondot jelent még a kivehető áram mértékének szempontjából a soros előtét -ellenállás nagysága is, ami a dióda munkapontját állítja be. Ezért általában a gyakorlatban alkalmazott feszültségstabilizátorok (lásd a jegyzet végén, az alkalmazásoknál) kifinomultabb és bonyolultabb szerkezetűek, általában néhány passzív alkatrésszel paraméterezhető integrált formában érhetők el. Mivel a stabilizátorok mindegyike valamilyen módon a Zener-dióda letörési tartományának tulajdonságaira alapoz, az egyszerű Zener-diódás feszültségstabilizátor kiválóan alkalmas a stabilizálás lényegének, működésének bemutatására, értelmezésére. A tápfeszültségre szóródó további zajokat védettebb áramkörök tervezésénél a tápvonal hidegítésével redukálhatjuk a táp és a föld közé helyezett kapacitás segítségével, ami szűrőként a váltakozó komponenst elvezeti. Ilyenkor minden alkatrész tápellátása közvetlenül az alkatrész csatlakozásainál hidegített (pl. táp- és földláb között ~ nf). Felmerülhet a kérdés, hogy mit kezdhetünk az eleve informális módon változó jelekre rakódó túllövések, feszültségtüskék kezelésekor (pl. négyszögjelre rakódott zaj). A vágókapcsolások jelformáló áramkörök. Feszültségtüskék, túlfeszültségek eltávolítására, de szintmetszett (határolt) jelformák előállítására, így jelkondíció javítására is használhatók: például szinusz jelből könnyen trapézjelet (kvázi négyszögjelet) is előállíthatunk a segítségével, akár úgy, hogy annak negatív és pozitív csúcsértéke különböző legyen. Előnyük, hogy analóg működésűek és egyszerű kivitelűek; hátrányuk, hogy a vágási feszültségküszöböt (treshold) biztosítani kell. Amiről szó lesz Miután megtanulta ezt a fejezetet, ismernie kell: 5.1. Zener-diódás feszültségstabilizátor - Nagyjelű vizsgálat - Kisjelű vizsgálat 5.2. Diódás vágókapcsolások - Soros diódás vágókapcsolás - Párhuzamos diódás vágókapcsolás, határoló

2 41 A fejezet néhány fontosabb új fogalma Előtét ellenállás (sönt ellenállás). Itt a Zener-diódás feszültségstabilizátor munkaponti áramát beállító soros ellenállás. kisöntölés. Két párhuzamos ellenállás eredője a kisebbnél lesz kisebb és jellemzőit tekintve is a kisebbre emlékeztet inkább. Ilyekor szokás néha úgy fogalmazni, hogy a kisebbik kisöntöli a nagyobbat. Nagyjelű (egyenáramú) vizsgálat. A kapcsolás munkaponti paramétereit beállító, azok kiszámítását, meghatározását lehetővé tevő összefüggések feltárása. Kisjelű (váltakozó áramú) vizsgálat. A kapcsolás munkaponti paramétereinek kismértékű megváltozásai közötti összefüggések feltárása. Gyakran az adott jelátvitel - erősítés vagy elnyomás - vizsgálatát jelenti. Vágófeszültség. A diódás vágókapcsolásokban a feszültség vágásának referenciaszintje, célszerűen egyenfeszültség. Limiter. Kettős határoló, mely két párhuzamos diódás vágókapcsolással van megvalósítva: két szintnél, magasabb és alacsonyabb jelfeszültségnél is határoló jellegű ZENER-DIÓDÁS FESZÜLTSÉGSTABILIZÁTOR A legegyszerűbb feszültségstabilizátor gyakorlatilag egy ellenállásból és egy záró irányba kötött Zener-diódából álló feszültségosztó, melynek kimenete a diódán eső feszültség: 83. A legegyszerűbb Zener-diódás feszültségstabilizátor. Működésének lényege hogy a bemeneti feszültség egy része a Zener-diódát a letörési tartomány egy biztonságosnak ítélt munkapontján tartja. Itt a rendkívül magas meredekség hatására a dióda néhány századnyi feszültségváltozás hatására nagy áramokat képes átereszteni amit úgy is megfogalmazhatunk, hogy a dióda itt változatos nagyságú áramok áteresztésére képes, miközben feszültsége alig változik. A munkapontban a dióda nyitva van, rajta az annak megfelelő üzemi feszültség esik. Mivel e környezetben jó közelítéssel rövidzárként viselkedik, áramát mindössze Rs korlátozza. Azaz, ha a bemenet kissé változik, az ellenálláson eső feszültség és a kör árama is arányosan követi, de a dióda feszültsége (mely egyben a kimenet is) gyakorlatilag állandó marad. A kimenet olyannyira kis változékonyságú, hogy gyakran alkalmazzák más kapcsolások számára referenciafeszültségként is (természetesen a hőfüggést figyelembe kell venni). Néhány észrevétel mindezek alapján már most is tehető: - a stabilizálandó feszültségnek biztosan nagyobbnak kell lennie minden időpillanatban, mint a dióda záróirányú letörési feszültsége (Zener-feszültsége). - a nagyobb áramok esetén jelentkező, gyorsan halmozódó disszipált teljesítmény károssá válhat az adott célfeszültségre szánt feszültség-stabilizátorokat a rendeltetési értéket jóval meghaladó feszültség gyorsan felhevítheti, (ekkor növekszik a dióda saját zaja is) ezért szinte minden esetben javasolt a hűtőborda használata. Célszerű mindig olyan Zenerdiódát vagy feszültség-stabilizátort alkalmazni, melynek kimeneti (letörési) feszültsége közel esik a stabilizálandó szinthez (de a kezelendő jel minden értéke nagyobb annál). Kisteljesítményű Zener-dióda jelformáló referenciafeszültségek kialakításához

3 42 A Fourier-felbontás alapján tudjuk, hogy egy jelforma egyenáramú (DC) összetevője jól elkülönülő, önálló komponenst azonosít. Azaz egy tetszőleges jelforma mindig tekinthető egy teljesen konstans és egy csak váltakozó komponensekből álló (tisztán változó) jel szuperpozíciójaként. Feszültséggenerátorokra nézve ezt a következő módon szemléltethetjük: Az elsőként a terhelt viselkedést vizsgáljuk meg, a terheletlen állapot az ábra jelöléseivel az R t=szakadás esetnek felel meg. Felírva a Kirchhoff-egyenleteket: 84. Egy tetszőleges jelforma (Ube(t)) elvi megfeleltetése csak kisjelű (ube(t), tisztán változó) és csak nagyjelű (Ube, állandó feszültségű, DC) generátorok együttesének Korábban már értelmeztük a dióda kis- és nagyjelű helyettesítő képeit, melyekkel az előző felbontás értelmében lehetőség adódik a feszültségstabilizátor esetében is a kis- és nagyjelű viselkedését külön is elemezni. Egyenáramú, vagy nagyjelű vizsgálat A Zener-dióda munkaponti paramétereinek beállításához, vizsgálatához általában a dióda valamelyik nagyjelű (legtöbbször az üzemi) helyettesítő képét használjuk: 85. A Zener-diódás feszültségstabilizátor nagyjelű helyettesítő képe. Ube, Uki a be- és kimenet egyenáramú komponense; Rs a sönt ellenállás; ID az ideális dióda helyettesítő képe; UZ - a dióda Zener (záróirányú letörési) feszültsége; rd a választott munkapontot jellemző dinamikus ellenállás; Rt a kapcsolást követő terhelő áramkör bemeneti ellenállása A vizsgálatkor két esetet érdemes megnézni: hogyan viselkedik az áramkör, ha a kimenete terheletlen és hogyan, ha terhelt. 86. A Zener-diódás feszültségstabilizátor nagyjelű vizsgálata; körüljárási irányok és a csomópont felvétele Terheletlen esetben pedig (a második hurkot elhagyva, I S=I d figyelembe vételével):. 0 A kapott összefüggések elegendő paraméter és peremfeltétel mellett egyszerű behelyettesítéssel megoldhatók. Változóáramú, vagy kisjelű vizsgálat A kisjelű vizsgálatot arra használjuk, hogy a kapcsolás változóáramú viselkedését, átvitelét ( / arány) jellemezzük valamely munkapontban. A szuperpozíció elvén keresztül a váltakozó áramú komponenst szolgáltató generátor kimeneti járulékát kell meghatároznunk: ehhez a bemenetet előállító feszültséggenerátoron kívül minden más feszültséggenerátort rövidzárral, az alkatrészeket pedig a nekik megfelelő kisjelű helyettesítő képeikkel azonosítjuk. Terheletlen kimenet esetén (Rt=szakadás) esetén mindössze az Rs ellenállás és a dióda kisjelű helyettesítő képét azonosító r d van sorosan kötve, mely utóbbi jeleníti meg a kimenet feszültségét is (87. ábra).

4 A Zener-diódás feszültségstabilizátor kisjelű vizsgálata; a váltakozó kimeneti komponens kifejezése A kimenet feszültségosztással:! Azaz, mivel tipikusan a Zener-dióda munkapontjában a rd<<rs, a bemeneti váltakozó komponens elhanyagolhatóvá válik (!). Például, ha a bemeneten 2 V-nyi az ingadozás, Rs=100 Ω, rd=1 Ω, a kimeneti váltakozás csak 0.02 V ként jelenik meg. Terhelés esetén annak a diódával való párhuzamos kötése miatt az egyenirányítás minősége kis mértékben, de tovább javul: "! " 4.2. Vágókapcsolások A diódás vágókapcsolások jelformáló alkalmazások, melyek a jelek bizonyos szintmetszett alakjait képesek előállítani. Két alaptípusát tekintjük át, a soros diódás és a párhuzamos diódás vágókapcsolást. Soros diódás vágókapcsolás A dióda itt a jelvezetéken van, a vágófeszültség szintjét (mely a jel által felvett értékek között van) pedig az ellenállás alatti feszültséggenerátor állítja elő a közös földponthoz képest (88. ábra). A működés áttekintéséhez tegyük fel, hogy a dióda ideális, az anódját képező jelvezeték pedig elsőként pozitívabb, mint a vágófeszültség. Ha a diódát gondolatban eltávolítjuk, a kapcsolásban fellépő potenciálviszonyok könnyen láthatóvá válnak: A dióda anód oldalát a pozitív jelfeszültség, katód oldalát a most szakad vezetékként 88. A soros diódás vágókapcsolás azonosítható, terheletlen kimenetre is felkúszó vágófeszültség jellemzi. Amennyiben tehát a bemenet pozitívabb, mint a vágófeszültség, a dióda nyit (és a bemenetet rányitja a kimenetre). Ha a bemenet negatívabb, mint a vágófeszültség, a dióda zárva marad, s a kimeneten továbbra is a vágófeszültség mérhető. Példaként legyen a soros diódás vágókapcsolás a fentebbi elrendezésű, a vágófeszültség pozitív, mondjuk 2 V, a bemenet pedig egy 5 V csúcsértékű szinusz jel. Ekkor a kimeneten a vágófeszültség, illetve az azt meghaladó jelformák jelennek meg. 89. A soros vágókapcsolás kimenete ideális és valós diódák esetén. Bemenet vékony; kimenet vastag vonallal jelölve; Uv=2V.

5 44 Valódi diódák esetén azok nyitó/üzemi feszültsége levonódik a kimenetet alkotó bemeneti jel csúcsértékéből (89. ábra, alsó rajz). Jó gyakorlási lehetőség, ha végiggondoljuk, hogyan változik a kimenet alakulása, ha a vágófeszültség negatív, vagy ha a diódát megfordítjuk! fordított dióda miben változtat a kimenetet illetően. Párhuzamos diódás vágókapcsolás A dióda és az ezzel soros vágófeszültséget előállító generátor ebben a kivitelben a kimenettel párhuzamosan kötődik, a bemenettel soros ellenállás pedig a túláram elleni védelemről gondoskodik. 91. A párhuzamos diódás vágókapcsolás kimenete ideális és valós dióda esetén. Bemenet vékony, kimenet vastag vonallal jelölve (Uv=2V). 90. A párhuzamos diódás vágókapcsolás A működés elemzéséhez az előbbihez hasonló gondolatmenetet követünk. A bemeneti jel az ellenálláson keresztül éri el a dióda anódját, míg a katódon közvetlenül a vágófeszültség található. Ha a bemeneti jel pozitívabb, mint a vágófeszültség, a dióda nyitóirányú előfeszítést kap és a vágófeszültséget rányitja a kimenetre (a dióda rövidzárral helyettesíthető ilyenkor). Ha jelfeszültség kisebb, mint a nyitófeszültség, a dióda zárva marad, ekkor a bemeneti potenciál az ellenálláson keresztül eléri a kimenetet, azaz a kimeneten a bemenet látható. Az előző példa paramétereinél maradva, ebben az esetben a kimeneten a bemenet olyan alakja jelenik meg, amelyben a jelnek a vágófeszültség feletti része le van vágva (91. ábra). Ennél a kapcsolásnál is érdemes végiggondolni, hogy negatív vágófeszültség, illetve Ha a párhuzamos diódás vágókapcsolás diódás ágát egy olyan ággal egészítjük ki, amelyben a vágófeszültség és a dióda is fordított polaritással jelenik meg, a Limiter (határoló) áramkört kapjuk. 92. A határoló vágókapcsolás (Uv2<Uv1) Működése az előbb leírtak alapján már könnyen értelmezhető azzal a feltételezéssel, hogy U v2<u v1 (ekkor a két dióda nem lesz egyszerre nyitva soha).

6 45 Ha a bemeneti jel pozitívabb, mint az U v1 és Uv 2 vágófeszültség és U v2<u v1; a bal oldali dióda kinyit és levágja a bemenet U v1 szint feletti részét. Ha a bemenet negatívabb, mint az U v1 és Uv 2 vágófeszültség, és U v2<u v1; a bal oldali dióda kinyit és levágja a bemenet U v2 szint alatti részét. A többi esetben a két dióda zárva van, emiatt az ellenálláson keresztül a bemenet jelenik meg a kimeneten. 93. A határoló vágókapcsolás kimenete Uv1=2V, Uv2=-4V, és ideális diódák esetén. Bemenet vékony, kimenet vastag vonallal jelölve. A határoló kapcsolást leggyakrabban jelátalakításra vagy felesleges tüskék, zavarok levágására, jel feljavítására használják. Vegyünk ugyanis pl. egy négyszögjelet alapul, melyet 1/3 csúcsértéknyi zaj terhel ott, ahol a jel nem nulla. Majd kétszeres erősítést alkalmazva, s a négyszögjel felső felét levágva, jelentősen emelkedik a jelkondíció.