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

Gingl Zoltán, Szeged, 2016.

2016. 12. 13. 7:44

Elektronika - Diódák, tranzisztorok

1

2016. 12. 13. 7:44


2

Egyenirányító (rectifier) Mint egy szelep

Ideális dióda Nyitó irányban tökéletes vezető (rövidzár) Záró irányban tökéletes szigetelő (szakadás)

Valódi dióda:

 I (U )  I 0  e  2016. 12. 13. 7:44

U m kT

U    U  1  I 0  e T  1     


I0=záró irányú áram (1nA..1uA) K=1,38·10-23J/K T= hőmérséklet [K] M: korrekció (0,5..1) UT=26mV..40mV 3

2016. 12. 13. 7:44


4

2016. 12. 13. 7:44


5

2016. 12. 13. 7:44


6

2016. 12. 13. 7:44


7

2016. 12. 13. 7:44


8

I[mA]

80 60 40 20

0 -1

0

1

U[V]

1,E+00 -1

1,E-04 1,E-08 1,E-12

0

1

I[mA]

  I (U )  I 0  e  1      I  U  U T ln   1  I0  U UT

1,E-16 U[V]

2016. 12. 13. 7:44


9

Kellően nagy áramoknál: U>>UT I>>I0

Mivel I0 igen kicsi, így ez nyitó irány esetén jó U  UU  UT T   I (U )  I 0 e  1  I 0 e    

 I   I  U  U T ln   1  U T ln    I0   I0  2016. 12. 13. 7:44


10

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

2016. 12. 13. 7:44


11

Maximális nyitó irányú áram Folyamatos vagy rövid idejű Kisjelű diódáknál 100mA-200mA

Nagyáramú 1A felett Rövid 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) 2016. 12. 13. 7:44


12

R

Ellenállás: nagyobb áramoknál lineáris lesz a karakterisztika, nem exponenciális megnő a nyitófeszültség

Kapacitás: lassabb kapcsolási idők Induktivitás: ritkán van jelentősége, nagy

frekvencián 2016. 12. 13. 7:44


13

2016. 12. 13. 7:44


14

2016. 12. 13. 7:44


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 R

UG

2016. 12. 13. 7:44

V


16

2016. 12. 13. 7:44


17

Fény hatására záró irányú áram folyik

Látható fény Infravörös – távirányítók, kommunikáció

2016. 12. 13. 7:44


18

LED+fotodióda

A kimenő áram jóval kisebb Fototranzisztor – erősíti ezt

A kimenetre köthető ellenállás is Korlátozott tartományban jó csak Általában erősítés kell R

UG

2016. 12. 13. 7:44

Ibe


Iki

A

19

LED+fototranzisztor

Tranzisztor: áramerősítő (x100..x1000) Hatékonyabb – sokkal nagyobb a kimeneti áram Lassabb működés R

UG

2016. 12. 13. 7:44

RL

Ibe


Iki

UG

20

2016. 12. 13. 7:44


21

2016. 12. 13. 7:44


R

UG

22

T 10.00

Voltage (V)

5.00

0.00

-5.00

-10.00 20.00m

30.00m

40.00m Time (s)

50.00m

60.00m

Szimuláció 2016. 12. 13. 7:44


23

+

R

UG

C

Szimuláció 2016. 12. 13. 7:44


24

T 10.00

Voltage (V)

5.00

0.00

-5.00

-10.00 20.00m

2016. 12. 13. 7:44

30.00m


40.00m Time (s)

50.00m

60.00m

25

+

R

C

UG

Szimuláció 2016. 12. 13. 7:44


26

T 10.00

Output

5.00

0.00

-5.00

-10.00 20.00m

2016. 12. 13. 7:44

30.00m


40.00m Time (s)

50.00m

60.00m

27

T 10.00

Output

5.00

0.00

-5.00

-10.00 20.00m

2016. 12. 13. 7:44

30.00m


40.00m Time (s)

50.00m

60.00m

28

2016. 12. 13. 7:44


29

R

+ C

UG

Szimuláció 2016. 12. 13. 7:44


30

T 10.00

Voltage (V)

5.00

0.00

-5.00

-10.00 20.00m

2016. 12. 13. 7:44

30.00m


40.00m Time (s)

50.00m

60.00m

31

T 10.00

Voltage (V)

5.00

0.00

-5.00

-10.00 20.00m

2016. 12. 13. 7:44

30.00m


40.00m Time (s)

50.00m

60.00m

32

+ C + C

UG

Szimuláció 2016. 12. 13. 7:44


33

ΔU:

feszültségesés, amikor a dióda zárt Ennek ideje Δt Egyutas egyenirányításnál T

Kétutas egyenirányításnál T/2

Q I  t U   C C 2016. 12. 13. 7:44


34

Q I  t I  T U    C C C T 10.00

Voltage (V)

5.00

0.00

-5.00

-10.00 20.00m

2016. 12. 13. 7:44

30.00m


40.00m Time (s)

50.00m

60.00m

35

Q I  t I  T U    C C 2C T 10.00

Output

5.00

0.00

-5.00

-10.00 20.00m

2016. 12. 13. 7:44

30.00m


40.00m Time (s)

50.00m

60.00m

36

R1

I R1

R1

I

UD

I

UZ

3UD R2

R2 R2

2016. 12. 13. 7:44


37

UIN

3UD

R

Szimuláció

2016. 12. 13. 7:44


UIN

R

UZ

Szimuláció

38

Vmax

Vmin-UD
R

Vmin

Szimuláció

R

UZ-UD

39

Kisméretű LED-ek: 1mA-10mA

Teljesítmény LED-ek: akár amperek is Lézerdióda – adott áram felett lézerfény

R

UG

ILED

Tipikus egyszerű kapcsolás: • ellenállás állítja be az áramot (fényerőt) • közel állandó áram • szükséges az ellenállás!

U G  U LED R I 2016. 12. 13. 7:44


ULED @ 20mA IR: 1.5V R,O,Y:1.7-2.2 G,B:2..4 40

2016. 12. 13. 7:44


41

Árammal vezérelhető

nagyobb áram Csak egy irányban Diódák NPN

C

I C    I B ,   1

I E  I B  I C    1  I B PNP

E

IE

IC B

B

IB

IB

IE E

2016. 12. 13. 7:44

IC C


42

UBE: diódaegyenlet A bázisáram kicsi C

Tipikusan 0,6V-0,7V IC

B

UCE: a külső elemektől függ Kollektorköri ellenállás Emitterköri ellenállás

IB

IE

Külső feszültségforrások

E

2016. 12. 13. 7:44


43

 Feszültséggel vezérelhető ellenállás Bázis → Gate (nagyon kicsi áram) Collector → Drain Emitter → Source  JFET  MOSFET Depletion mode (kiürítéses)

D G

S D

G

S

Önvezető: VGS=0V esetén vezet, negatív VGS zár

Enhancement mode (növekményes) Önzáró: VGS=0V esetén nem vezet, pozitív VGS nyit

 Leggyakrabban használt általános célra: MOSFET

(növekményes)

Mai digitális áramkörök építőeleme 2016. 12. 13. 7:44


44

2016. 12. 13. 7:44


45

T 20.00m

Current (A)

15.00m

10.00m

5.00m

0.00 -5.00

2016. 12. 13. 7:44

-2.50


0.00 Input voltage (V)

2.50

5.00

46

2016. 12. 13. 7:44


47

T 20.00

Current (A)

15.00

10.00

5.00

0.00 0.00

2016. 12. 13. 7:44

1.00

2.00 3.00 Input voltage (V)


4.00

5.00

48

2016. 12. 13. 7:44


49

T 5.00

Current (A)

4.00

3.00

2.00

1.00

0.00 0.00

2016. 12. 13. 7:44

1.00



4.00

5.00

50

2016. 12. 13. 7:44


51

2016. 12. 13. 7:44


52

Áramerősítési tényező, β:50..1000

Maximális kollektoráram, IC: 50mA..>10A Maximális kollektor-emitter feszültség Maximális teljesítmény (amit elfűt) P=UCE·IE

Tokozás

2016. 12. 13. 7:44


53

R1

Digitális áramkör Mikrovezérlő, Raspberry PI, …

IB

R2

If

If

+12V Izzó, LED, fűtőszál…

+24V Motor, relé, szelep, …

IB

2016. 12. 13. 7:44


54

IB

V+ A digitális táppal azonos érték!

R


If IB2

V+

R2 R1

IB1 2016. 12. 13. 7:44


If 55

Mekkora legyen az ellenállás? Rf Ut UV

RB

IB

If

Bekapcsolás: UV > UBE,min (2V..5V) Kikapcsolás: UV < UBE,min (0V..0,4V)

Szimuláció 2016. 12. 13. 7:44


Ut If     IB Rf U V  U BE U V  0,6V IB   RB RB

U V  0,6V RB   If 56

T1 2N2222

T 100.00m

AM1

+

R1 3,3k

R4 120

V1 12

AM3

VS1 5

75.00m

R2 1k

AM2

R5 120

AM2 V2 12

Output

T2 2N2222

AM1 50.00m

25.00m T3 2N2222 R3 330

R6 120

AM3 V3 12

0.00 0.00

2016. 12. 13. 7:44


1.00


4.00

5.00

57

Két tranzisztor sorosan: Darlington kapcsolás

I C1  1  I B1

Ut

IB1 UV

I B 2  I C1

IC1 Ic2

RB

IB2

2016. 12. 13. 7:44


IC 2  2  I B2

I C 2   2  1  I B1 58

V+ IRLML2502 4A


2016. 12. 13. 7:44


V+ IRLML2502 4A

59

Digitális áramkör, Mikrovezérlő, Raspberry PI, … Vdd

DIGITÁLIS JEL

Logikai 1 2016. 12. 13. 7:44


60


DIGITÁLIS JEL

2016. 12. 13. 7:44


61


DIGITÁLIS JEL

Kikapcsolt állapot Több áramkör kimenete vezérelhet egy jelet Példa: processzor adatbusz bitjei, kétirányú adatáramlás 2016. 12. 13. 7:44


62


DIGITÁLIS JEL

2016. 12. 13. 7:44


63

Digitális áramkör, Mikrovezérlő, Raspberry PI, … Vdd R

DIGITÁLIS JEL

Ekkor nem használható az n-típusú bipoláris tranzisztor! Túl kicsi az áram, mivel R≈50k..100k 2016. 12. 13. 7:44


64

Digitális áramkör, Mikrovezérlő, Raspberry PI, …

DIGITÁLIS 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 2016. 12. 13. 7:44


65

Digitális áramkör, Mikrovezérlő, Raspberry PI, …

DIGITÁLIS JEL

2016. 12. 13. 7:44


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 2016. 12. 13. 7:44


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) 2016. 12. 13. 7:44


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.

2016. 12. 13. 7:44


69

U be  U BE (U be ) IB  RB

RC

Ut

IC    I B U ki  U t  I C  RC

IC Uki

Ube

RB

IB UBE: bázis-emitter feszültség

2016. 12. 13. 7:44

U be  U BE (U be ) U ki  U t   RC RB RC RC U ki    U be  U t   0,7V RB RB RC U ki    U be  U 0 RB


70

1001k/33k≈3

2016. 12. 13. 7:44


71

Uki

Ut

ΔUki/ΔUbe ≈ RC/RB

munkapont ΔUki

Ha nem itt van: torzítás Ube korlátos Ha meredek a görbe,

nehéz a munkapontot beállítani A lineáris csak közelítés ΔUbe

2016. 12. 13. 7:44

Munkapont ≈Ut/2

Ube


72

T 10.00

Uki (V)

7.50

5.00

2.50

0.00 0.00

2.00

1.00

3.00

Ube (V) 2016. 12. 13. 7:44


73

T 6.00

Voltage (V)

5.00

4.00

3.00

2.00

1.00 0.00

2016. 12. 13. 7:44

10.00m


20.00m Time (s)

30.00m

40.00m

74

T 11.00

9.00

Voltage (V)

7.00 5.00 3.00 1.00 -1.00 0.00

2016. 12. 13. 7:44

10.00m


20.00m Time (s)

30.00m

40.00m

75

T 10.00

Voltage (V)

7.50

5.00

2.50

0.00 0.00

2016. 12. 13. 7:44

10.00m


20.00m Time (s)

30.00m

40.00m

76

T

2.00

Voltage (V)

1.50

1.00

500.00m

0.00 0.00

2016. 12. 13. 7:44

10.00m


20.00m Time (s)

30.00m

40.00m

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

2016. 12. 13. 7:44


78

U t  0,6V IB  R1

RC

R1

Ut

U t  0,6V IC    I B   R1

IC Uki

Ube IB

2016. 12. 13. 7:44

U ki  U t  I C  RC Ut U ki  2

U t  0,6V R1  2    RC  2    RC Ut Elektronika - Diódák, tranzisztorok

79

IB

RC

R1

Ut

I B  I B 0e

ΔIB

IC

U BE UT

1 I B  rBE U BE

Uki Ube

ΔUBE

UBE

IB

UBE: bázis-emitter közötti feszültség

2016. 12. 13. 7:44


80

I B  I B 0e

U BE UT

1 I B   I B 0e rBE U BE rBE

U BE UT

1 IB  UT UT

UT  IB

UT rBE rE   IE  1 2016. 12. 13. 7:44


81

B rBE

U BE  I B  rBE  rBB' 

rBB'

E

2016. 12. 13. 7:44

U BE  I B    1  rE  rBB' 


82

RC

R1

Ut

1 I B  U be rBE  rBB '

IC Uki

Ube IB

2016. 12. 13. 7:44

vagy : 1 iB  ube rBE  rBB '


83

RC

R1

Ut

IC Uki

Ube IB

1 1 1 iB  ube  ube rBE  rBB   1 r  rBB E  1 uki  uC   RC  iC   RC    iB



RC uki   ube   1 r  rBB E  1

uki RC RC   rBB ube r E rE   1 2016. 12. 13. 7:44


84

Az erősítés így túlságosan

RC ube függ a tranzisztor paramétereitől u ki   rE Hogyan lehetne javítani? Adjunk hozzá rE-hez ellenállást Csökkenti a bizonytalanságot Ára van: csökken az erősítés is

2016. 12. 13. 7:44


85

RC

R1

Ut

ube  u BE  u E  iB rBE  rBB'   iE RE IC

ube  iB rBE  rBB'     1iB RE

Uki Ube

u ki   RC   iB RE

IB

u ki RC    ube rBE  rBB'    1RE 2016. 12. 13. 7:44


86

uki RC   ube rBE  rBB'    1RE

RC

R1

Ut

IC Uki

Ube RE

IB

uki RC   ube   1 r  rBB'  R E E  1 uki RC  ube rE  RE

uki RC  ube RE 2016. 12. 13. 7:44


87

RC

I0+IB

R1

Ut

Uki kevésbé függ -tól IC Uki

I0 ≈ IB10 Ekkor az osztó kimenetét

elenyészően befolyásolja IB

2016. 12. 13. 7:44

RE

I0

R2

Ube


88

RC

I0+IB

R1

Ut

Emitteren: ≈ UtR2/(R1+R2)-0,6V Mivel: IC Uki

2016. 12. 13. 7:44

RE

I0

R2

Ube

ICRC=Ut/2 a jó munkaponthoz,

IC ≈ IE és IE ≈ (UtR2/(R1+R2)-

0,6V)/RE

U t  RE R2 Ut  0,6V  I E RE  0,6V  R1  R2 2  RC


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 2016. 12. 13. 7:44


90

Bipoláris tranzisztorok Árammal vezérelhető nagyobb áram Kapcsolóként

Analóg áramkörökben

MOSFET Feszültséggel vezérelt ellenállás

Digitális áramkörökben Kapcsolóként

Analóg áramkörökben 2016. 12. 13. 7:44


91

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

Recommend Documents