Gingl Zoltán, Szeged, 2017. 17 dec. 1
17 dec. 2
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=1,38 10-23 J/K T= hőmérséklet [K] M: korrekció (0,5..1) T =26mV..40mV 17 dec. 3
17 dec. 4
17 dec. 5
17 dec. 6
17 dec. 7
17 dec. 8
[ma] [ma] 80 ( ) T 0 e ln T 0 1 1 60 40 20 0-1 0 1 [V] 1,E+00-1 1,E-04 0 1 1,E-08 1,E-12 1,E-16 [V] 17 dec. 9
Kellően nagy áramoknál: >> T >> 0 Mivel 0 igen kicsi, így ez nyitó irány esetén jó 17 dec. 10 0 0 0 0 ln 1 ln 1 ) ( e e T T T T
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 17 dec. 11
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) 17 dec. 12
Ellenállás: nagyobb áramoknál lineáris lesz a karakterisztika, nem exponenciális megnő a nyitófeszültség Kapacitás: lassabb kapcsolási idők nduktivitás: ritkán van jelentősége, nagy frekvencián 17 dec. 13
17 dec. 14
17 dec. 15
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 17 dec. 16
17 dec. 17
Fény hatására záró irányú áram folyik Látható fény nfravörös távirányítók, kommunikáció 17 dec. 18
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 17 dec. 19
LED+fototranzisztor Tranzisztor: áramerősítő (x100..x1000) Hatékonyabb sokkal nagyobb a kimeneti áram Lassabb működés L G be ki G 17 dec. 20
17 dec. 21
G 17 dec. 22
Voltage (V) T 10.00 5.00 0.00-5.00-10.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Szimuláció Time (s) 17 dec. 23
G + C Szimuláció 17 dec. 24
Voltage (V) T 10.00 5.00 0.00-5.00-10.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) 17 dec. 25
+ C G Szimuláció 17 dec. 26
Output T 10.00 5.00 0.00-5.00-10.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) 17 dec. 27
Output T 10.00 5.00 0.00-5.00-10.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) 17 dec. 28
17 dec. 29
+ C G Szimuláció 17 dec. 30
Voltage (V) T 10.00 5.00 0.00-5.00-10.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) 17 dec. 31
Voltage (V) T 10.00 5.00 0.00-5.00-10.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) 17 dec. 32
+ C + C G Szimuláció 17 dec. 33
Δ: feszültségesés, amikor a dióda zárt Ennek ideje Δt Egyutas egyenirányításnál T Kétutas egyenirányításnál T/2 Q t C C 17 dec. 34
Voltage (V) Q C t C T C T 10.00 5.00 0.00-5.00-10.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) 17 dec. 35
Output Q C t C 2 T C T 10.00 5.00 0.00-5.00-10.00 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m 60.00m Time (s) 17 dec. 36
1 2 1 2 1 2 D 3 D Z 17 dec. 37
3 D Z N N Szimuláció Szimuláció 17 dec. 38
V max V min - D < ki <V max + D V min Szimuláció Z - D < ki < Z + D Szimuláció 17 dec. 39
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 LED @ 20mA : 1.5V,O,Y:1.7-2.2 G,B:2..4 17 dec. 40
17 dec. 41
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 17 dec. 42
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 17 dec. 43
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 17 dec. 44
17 dec. 45
Current (A) T 20.00m 15.00m 10.00m 5.00m 0.00-5.00-2.50 0.00 2.50 5.00 nput voltage (V) 17 dec. 46
17 dec. 47
T 20.00 15.00 Current (A) 10.00 5.00 0.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 nput voltage (V) 17 dec. 48
17 dec. 49
Current (A) T 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 nput voltage (V) 17 dec. 50
17 dec. 51
17 dec. 52
Áramerősítési tényező, β:50..1000 Maximális kollektoráram, C: 50mA..>10A Maximális kollektor-emitter feszültség Maximális teljesítmény (amit elfűt) P= CE E Tokozás 17 dec. 53
Digitális áramkör Mikrovezérlő, aspberry P, 1 B 2 f f +12V zzó, LED, fűtőszál +24V Motor, relé, szelep, B 17 dec. 54
Digitális áramkör Mikrovezérlő, aspberry P, B 1 f V+ A digitális táppal azonos érték! B2 2 V+ B1 f 17 dec. 55
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 17 dec. 56
Output + T1 2N2222 4 120 1 3,3k AM1 T 100.00m VS1 5 V1 12 AM3 75.00m T2 2N2222 5 120 AM2 2 1k AM2 V2 12 50.00m AM1 T3 2N2222 6 120 25.00m 3 330 AM3 V3 12 0.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 nput voltage (V) 17 dec. 57
Két tranzisztor sorosan: Darlington kapcsolás V B1 B C1 t c2 C1 B2 C 2 1 C1 2 B1 B2 B2 C 2 2 1 B1 17 dec. 58
V+ Digitális áramkör mikrovezérlő, aspberry P, LML2502 4A V+ LML2502 4A 17 dec. 59
Digitális áramkör, mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL Logikai 1 17 dec. 60
Digitális áramkör, mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL 17 dec. 61
Digitális áramkör, mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL Kikapcsolt állapot Több áramkör kimenete vezérelhet egy jelet Példa: processzor adatbusz bitjei, kétirányú adatáramlás 17 dec. 62
Digitális áramkör, mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL 17 dec. 63
Digitális áramkör, mikrovezérlő, aspberry P, V dd DGTÁLS JEL Ekkor nem használható az n-típusú bipoláris tranzisztor! Túl kicsi az áram, mivel 50k..100k 17 dec. 64
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 17 dec. 65
Digitális áramkör, mikrovezérlő, aspberry P, DGTÁLS JEL 17 dec. 66
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 17 dec. 67
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) 17 dec. 68
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. 17 dec. 69
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 17 dec. 70
1001k/33k 3 17 dec. 71
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 17 dec. 72
ki (V) T 10.00 7.50 5.00 2.50 0.00 0.00 1.00 2.00 3.00 be (V) 17 dec. 73
Voltage (V) T 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m Time (s) 17 dec. 74
Voltage (V) T 11.00 9.00 7.00 5.00 3.00 1.00-1.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m Time (s) 17 dec. 75
Voltage (V) T 10.00 7.50 5.00 2.50 0.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m Time (s) 17 dec. 76
Voltage (V) T 2.00 1.50 1.00 500.00m 0.00 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m Time (s) 17 dec. 77
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 17 dec. 78
17 dec. 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
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 17 dec. 80
17 dec. 81 T B T B BE B BE B B e r e T BE T BE 1 1 0 0 1 BE E T E B T BE r r r
B r BE BE B r BE r BB' r BB' E BE B 1 re rbb ' 17 dec. 82
1 t C C B r BE 1 r BB' be ki vagy : be B i B r BE 1 r BB' u be 17 dec. 83
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 17 dec. 84
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 17 dec. 85
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 17 dec. 86
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 17 dec. 87
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 17 dec. 88
be 0 + B 0 1 2 t C E C ki t Emitteren: t 2 /( 1 + 2 )-0,6V Mivel: 1 C C = t /2 a jó munkaponthoz, C E és E ( t 2 /( 1 + 2 )- 0,6V)/ E 2 t 0,6V EE 0,6V 2 2 C E 17 dec. 89
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 17 dec. 90
Bipoláris tranzisztorok Árammal vezérelhető nagyobb áram Kapcsolóként Analóg áramkörökben MOSFET Feszültséggel vezérelt ellenállás Digitális áramkörökben Kapcsolóként Analóg áramkörökben 17 dec. 91