Gingl Zoltán, Szeged, :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok

Átírás

1 Gingl Zoltán, Szeged, :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 1

2 :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 2

3 Egyenirányító (rectifier) Mint egy szelep deális dióda Nyitó irányban tökéletes vezető (rövidzár) Záró irányban tökéletes szigetelő (szakadás) Valódi dióda: m kt ( ) 0 e 1 T 0 e 1 0 =záró irányú áram (1nA..1uA) K=1, J/K T= hőmérséklet [K] M: korrekció (0,5..1) T =26mV..40mV :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 3

9 [ma] [ma] 80 ( ) T 0 e ln T [V] 1,E ,E ,E-08 1,E-12 1,E-16 [V] :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 9

10 Kellően nagy áramoknál: >> T >> 0 Mivel 0 igen kicsi, így ez nyitó irány esetén jó :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok ln 1 ln 1 ) ( e e T T T T

11 A feszültség kevéssé függ az áramtól nyitó irány esetén Nyitófeszültség rendelhető a diódához Tipikusan 1mA vagy 10mA áramnál adják meg Nagyáramú diódáknál akár több ampernél Értéke 1mA-10mA esetén 0,5V-0,7V körül van Nagy áramoknál akár 1V felett :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 11

12 Maximális nyitó irányú áram Folyamatos vagy rövid idejű Kisjelű diódáknál 100mA-200mA Nagyáramú 1A felett övid időre ennek párszorosa Maximális záró irányú feszültség (50V..1000V) Letörési feszültség (záró irányban elkezd vezetni) Káros a diódára Kapcsolási idő (pár ns-tól us-ig) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 12

13 Ellenállás: nagyobb áramoknál lineáris lesz a karakterisztika, nem exponenciális megnő a nyitófeszültség Kapacitás: lassabb kapcsolási idők nduktivitás: ritkán van jelentősége, nagy frekvencián :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 13

16 Bizonyos zárófeszültség értéknél vezetni kezd Többféle kapható: 2V7-től akár 100V felett is Tipikus: 2V7, 3V3, 4V7, 6V8, 10V, 12V Adott feszültség előállítására Feszültségesés létrehozása Áramkörök védelmére G V :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 16

18 Fény hatására záró irányú áram folyik Látható fény nfravörös távirányítók, kommunikáció :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 18

19 LED+fotodióda A kimenő áram jóval kisebb Fototranzisztor erősíti ezt A kimenetre köthető ellenállás is Korlátozott tartományban jó csak Általában erősítés kell G be ki A :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 19

20 LED+fototranzisztor Tranzisztor: áramerősítő (x100..x1000) Hatékonyabb sokkal nagyobb a kimeneti áram Lassabb működés L G be ki G :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 20

22 G :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 22

23 Voltage (V) T m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Szimuláció Time (s) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 23

24 G + C Szimuláció :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 24

25 Voltage (V) T m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 25

26 + C G Szimuláció :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 26

27 Output T m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 27

28 Output T m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 28

30 + C G Szimuláció :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 30

33 + C + C G Szimuláció :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 33

34 Δ: feszültségesés, amikor a dióda zárt Ennek ideje Δt Egyutas egyenirányításnál T Kétutas egyenirányításnál T/2 Q t C C :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 34

35 Voltage (V) Q C t C T C T m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 35

36 Output Q C t C 2 T C T m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 36

37 D 3 D Z :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 37

38 3 D Z N N Szimuláció Szimuláció :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 38

39 V max V min - D < ki <V max + D V min Szimuláció Z - D < ki < Z + D Szimuláció :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 39

40 Kisméretű LED-ek: 1mA-10mA Teljesítmény LED-ek: akár amperek is Lézerdióda adott áram felett lézerfény G LED Tipikus egyszerű kapcsolás: ellenállás állítja be az áramot (fényerőt) közel állandó áram szükséges az ellenállás! G LED 20mA : 1.5V,O,Y: G,B: :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 40

42 Árammal vezérelhető nagyobb áram Csak egy irányban Diódák C E B B, C 1 1 B NPN C PNP E B C B E B E B C E C :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 42

43 B B C E C E BE : diódaegyenlet A bázisáram kicsi Tipikusan 0,6V-0,7V CE : a külső elemektől függ Kollektorköri ellenállás Emitterköri ellenállás Külső feszültségforrások :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 43

44 Feszültséggel vezérelhető ellenállás Bázis Gate (nagyon kicsi áram) Collector Drain G Emitter Source JFET MOSFET G Depletion mode (kiürítéses) Önvezető: V GS =0V esetén vezet, negatív V GS zár Enhancement mode (növekményes) Önzáró: V GS =0V esetén nem vezet, pozitív V GS nyit Leggyakrabban használt általános célra: MOSFET (növekményes) Mai digitális áramkörök építőeleme D S D S :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 44

46 Current (A) T 20.00m 15.00m 10.00m 5.00m nput voltage (V) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 46

48 T Current (A) nput voltage (V) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 48

50 Current (A) T nput voltage (V) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 50

53 Áramerősítési tényező, β: Maximális kollektoráram, C: 50mA..>10A Maximális kollektor-emitter feszültség Maximális teljesítmény (amit elfűt) P= CE E Tokozás :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 53

54 Digitális áramkör Mikrovezérlő, aspberry P, 1 B 2 f f +12V zzó, LED, fűtőszál +24V Motor, relé, szelep, B :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 54

55 Digitális áramkör Mikrovezérlő, aspberry P, B 1 f V+ A digitális táppal azonos érték! B2 2 V+ B1 f :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 55

56 Mekkora legyen az ellenállás? V B B f f t Bekapcsolás: V > BE,min (2V..5V) Kikapcsolás: V < BE,min (0V..0,4V) Szimuláció f B B t f V B BE B V V f 0,6V B 0,6V :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 56

57 Output + T1 2N ,3k AM1 T m VS1 5 V1 12 AM m T2 2N AM2 2 1k AM2 V m AM1 T3 2N m AM3 V nput voltage (V) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 57

58 Két tranzisztor sorosan: Darlington kapcsolás V B1 B C1 t c2 C1 B2 C 2 1 C1 2 B1 B2 B2 C B :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 58

59 V+ Digitális áramkör Mikrovezérlő, aspberry P, LML2502 4A V+ LML2502 4A :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 59

60 Digitális áramkör, Mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL Logikai :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 60

61 Digitális áramkör, Mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 61

62 Digitális áramkör, Mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL Kikapcsolt állapot Több áramkör kimenete vezérelhet egy jelet Példa: processzor adatbusz bitjei, kétirányú adatáramlás :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 62

63 Digitális áramkör, Mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 63

64 Digitális áramkör, Mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL Ekkor nem használható az n-típusú bipoláris tranzisztor! Túl kicsi az áram, mivel 50k..100k :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 64

65 Digitális áramkör, Mikrovezérlő, aspberry P, DGTÁLS JEL Nyitott kollektoros kimenet, csak 0-t tud előállítani (open collector, open drain output) Ekkor külső felhúzó ellenállás kell a logikai 1-hez Logikai 1 esetén akár bemenet is lehet :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 65

66 Digitális áramkör, Mikrovezérlő, aspberry P, DGTÁLS JEL :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 66

67 Logikai szintek 0: pár tized V 1: tápfeszültség alatt pár tized V Maximális kimenő áram csak néhány ma Lehet aszimmetrikus, ekkor logikai 1 esetén igen kicsi a kimeneti áram! Nem szabad tápfeszültségként használni Nem szabad túlterhelni Külső tranzisztor képes nagy teljesítményre :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 67

68 Bipoláris: csak kisebb áramokra A bázisáram legfeljebb a digitális kimeneti áram Ennek β-szorosa a maximális kollektoráram Nagyteljesítményű tranzisztornál kicsi a β (30-50) MOSFET Feszültséggel vezérelt, küszöbszinttel rendelkezik Kiválasztási szempont: a logikai szint biztosan nyissa ki Nagy áramok kapcsolása is lehetséges p-típus: jelentősen korlátozott a kapcsolható feszültség (tipikusan a digitálissal azonos) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 68

69 A bipoláris tranzisztor áramot erősít Feszültség erősítése? Áram ellenállásokon átvezetve: feszültség Bemeneti feszültség bázisáramot hoz létre Kollektoráram kimeneti feszültséget hoz létre Csak egy irányú áramok Váltakozó feszültség? DC szintre ültetve :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 69

70 be B B t C C ki BE : bázis-emitter feszültség B C ki ki ki ki be t t B C B C C B BE B ( be C be be be ) BE B t 0 ( be ) C B C 0,7V :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 70

71 1001k/33k :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 71

72 ki Δ ki t Δ ki /Δ be C / B munkapont Munkapont t /2 Ha nem itt van: torzítás be korlátos Ha meredek a görbe, nehéz a munkapontot beállítani A lineáris csak közelítés Δ be be :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 72

73 ki (V) T be (V) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 73

74 Voltage (V) T m 20.00m 30.00m 40.00m Time (s) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 74

77 Voltage (V) T m m 20.00m 30.00m 40.00m Time (s) :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 77

78 A jelnek tehát kell legyen egy átlagértéke: ez tulajdonképpen a munkapont Elég szűk tartomány nagy erősítéseknél A jel ilyet tipikusan nem tartalmaz Oldja ezt meg az erősítőkapcsolás! a bemenő jelnek csak az AC részét vegyük adjunk ehhez egy egyenkomponenst, ami a munkapontot beállítja :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 78

79 :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 79 C B be C ki 1 t 2 0,6 0,6 1 1 t ki C C t ki t B C t B V V C t t C V 2 0,6 2 1

80 t B B B0 e BE T 1 C C Δ B 1 r BE B BE ki be Δ BE BE B BE : bázis-emitter közötti feszültség :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 80

81 :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 81 T B T B BE B BE B B e r e T BE T BE BE E T E B T BE r r r

82 B r BE BE B r BE r BB' r BB' E BE B 1 re rbb ' :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 82

83 1 t C C B r BE 1 r BB' be ki vagy : be B i B r BE 1 r BB' u be :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 83

84 be 1 B t C u u ki be C ki i B u u r ki ki E r BE u C 1 r BB 1 r C rbb 1 u C E be i C 1 1 C rbb 1 r C E C u r be E 1 rbb 1 i B u be :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 84

85 Az erősítés így túlságosan függ a tranzisztor paramétereitől Hogyan lehetne javítani? Adjunk hozzá r E -hez ellenállást u ki r C E u be Csökkenti a bizonytalanságot Ára van: csökken az erősítés is :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 85

86 t u be u BE u E i B r BE r BB' i E E 1 C C u be i B r r 1 BE BB' i B E ki be B u ki C i B E u u ki be r BE r BB ' C 1 E :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 86

87 be 1 B t C E C ki u u u u u u ki be ki be ki be r r BE E 1 C r BB' r E E C 1 C rbb' 1 E E u u ki be C E :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 87

88 0 + B 1 t C C ki ki kevésbé függ -tól 0 B 10 Ekkor az osztó kimenetét elenyészően befolyásolja B be 0 2 E :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 88

89 be 0 + B t C E C ki t Emitteren: t 2 /( )-0,6V Mivel: 1 C C = t /2 a jó munkaponthoz, C E és E ( t 2 /( )- 0,6V)/ E 2 t 0,6V EE 0,6V 2 2 C E :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 89

90 Teljesítménynövelés Kis jellel nagy jel vezérlése N és P típus Különböző áramirányokra, tükrözött vezérlés Ezek kombinációja: kétirányú áramok + és feszültségek kezelése Teljesítményveszteség/melegedés P=tranzisztoron eső feszültség x átfolyó áram Minimális: teljesen nyitott vagy teljesen zárt állapot :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 90

91 Bipoláris tranzisztorok Árammal vezérelhető nagyobb áram Kapcsolóként Analóg áramkörökben MOSFET Feszültséggel vezérelt ellenállás Digitális áramkörökben Kapcsolóként Analóg áramkörökben :44 Elektronika - Diódák, tranzisztorok 91