Gingl Zoltán, Szeged, 2017.
’17 dec.
1
’17 dec.
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 ’17 dec.
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
’17 dec.
4
’17 dec.
5
’17 dec.
6
’17 dec.
7
’17 dec.
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]
’17 dec.
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 ’17 dec.
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
’17 dec.
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) ’17 dec.
12
R
Ellenállás: nagyobb áramoknál lineáris lesz a karakterisztika, nem exponenciális megnő a nyitófeszültség
Kapacitás: lassabb kapcsolási idők Induktivitás: 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 R
UG
’17 dec.
V
16
’17 dec.
17
Fény hatására záró irányú áram folyik
Látható fény Infravörös – 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 R
UG
’17 dec.
Ibe
Iki
A
19
LED+fototranzisztor
Tranzisztor: áramerősítő (x100..x1000) Hatékonyabb – sokkal nagyobb a kimeneti áram Lassabb működés R
UG
’17 dec.
RL
Ibe
Iki
UG
20
’17 dec.
21
’17 dec.
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 ’17 dec.
23
+
R
UG
C
Szimuláció ’17 dec.
24
T 10.00
Voltage (V)
5.00
0.00
-5.00
-10.00 20.00m
’17 dec.
30.00m
40.00m Time (s)
50.00m
60.00m
25
+
R
C
UG
Szimuláció ’17 dec.
26
T 10.00
Output
5.00
0.00
-5.00
-10.00 20.00m
’17 dec.
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
’17 dec.
30.00m
40.00m Time (s)
50.00m
60.00m
28
’17 dec.
29
R
+ C
UG
Szimuláció ’17 dec.
30
T 10.00
Voltage (V)
5.00
0.00
-5.00
-10.00 20.00m
’17 dec.
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
’17 dec.
30.00m
40.00m Time (s)
50.00m
60.00m
32
+ C + C
UG
Szimuláció ’17 dec.
33
ΔU:
feszültségesés, amikor a dióda zárt Ennek ideje Δt Egyutas egyenirányításnál T
Kétutas egyenirányításnál T/2
Q I t U C C ’17 dec.
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
’17 dec.
30.00m
40.00m Time (s)
50.00m
60.00m
35
Q I t I T U C C 2C T 10.00
Output
5.00
0.00
-5.00
-10.00 20.00m
’17 dec.
30.00m
40.00m Time (s)
50.00m
60.00m
36
R1
I R1
R1
I
UD
I
UZ
3UD R2
R2 R2
’17 dec.
37
UIN
R
Szimuláció
’17 dec.
3UD
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 ’17 dec.
ULED @ 20mA IR: 1.5V R,O,Y:1.7-2.2 G,B:2..4 40
’17 dec.
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
’17 dec.
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
’17 dec.
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 ’17 dec.
44
’17 dec.
45
T 20.00m
Current (A)
15.00m
10.00m
5.00m
0.00 -5.00
’17 dec.
-2.50
0.00 Input voltage (V)
2.50
5.00
46
’17 dec.
47
T 20.00
Current (A)
15.00
10.00
5.00
0.00 0.00
’17 dec.
1.00
2.00 3.00 Input voltage (V)
4.00
5.00
48
’17 dec.
49
T 5.00
Current (A)
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00 0.00
’17 dec.
1.00
2.00 3.00 Input voltage (V)
4.00
5.00
50
’17 dec.
51
’17 dec.
52
Áramerősítési tényező, β:50..1000
Maximális kollektoráram, IC: 50mA..>10A Maximális kollektor-emitter feszültség Maximális teljesítmény (amit elfűt) P=UCE·IE
Tokozás
’17 dec.
53
R1
Digitális áramkör Mikrovezérlő, Raspberry PI, …
IB
R2
If
If
+12V Izzó, LED, fűtőszál…
+24V Motor, relé, szelep, …
IB
’17 dec.
54
IB
V+ A digitális táppal azonos érték!
R
Digitális áramkör Mikrovezérlő, Raspberry PI, …
If IB2
V+
R2 R1
IB1 ’17 dec.
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 ’17 dec.
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
’17 dec.
1.00
2.00 3.00 Input voltage (V)
4.00
5.00
57
Két tranzisztor sorosan: Darlington kapcsolás
I C1 1 I B1
Ut
IB1 UV
IC1 Ic2
RB
IB2
’17 dec.
I B 2 I C1 IC 2 2 I B2
I C 2 2 1 I B1 58
V+ IRLML2502 4A
Digitális áramkör mikrovezérlő, Raspberry PI, …
’17 dec.
V+ IRLML2502 4A
59
Digitális áramkör, mikrovezérlő, Raspberry PI, … Vdd
DIGITÁLIS JEL
Logikai 1 ’17 dec.
60
Digitális áramkör, mikrovezérlő, Raspberry PI, … Vdd
DIGITÁLIS JEL
’17 dec.
61
Digitális áramkör, mikrovezérlő, Raspberry PI, … Vdd
DIGITÁLIS JEL
Kikapcsolt állapot Több áramkör kimenete vezérelhet egy jelet Példa: processzor adatbusz bitjei, kétirányú adatáramlás ’17 dec.
62
Digitális áramkör, mikrovezérlő, Raspberry PI, … Vdd
DIGITÁLIS JEL
’17 dec.
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 ’17 dec.
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 ’17 dec.
65
Digitális áramkör, mikrovezérlő, Raspberry PI, …
DIGITÁLIS 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
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
’17 dec.
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
1001k/33k≈3
’17 dec.
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
’17 dec.
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) ’17 dec.
73
T 6.00
Voltage (V)
5.00
4.00
3.00
2.00
1.00 0.00
’17 dec.
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
’17 dec.
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
’17 dec.
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
’17 dec.
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
’17 dec.
78
U t 0,6V IB R1
RC
R1
Ut
U t 0,6V IC I B R1
IC Uki
Ube IB
’17 dec.
U ki U t I C RC Ut U ki 2
U t 0,6V R1 2 RC 2 RC Ut 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
’17 dec.
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 ’17 dec.
81
B rBE
U BE I B rBE rBB'
rBB'
E
’17 dec.
U BE I B 1 rE rBB'
82
RC
R1
Ut
1 I B U be rBE rBB '
IC Uki
Ube IB
’17 dec.
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 ’17 dec.
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
’17 dec.
85
RC
R1
Ut
ube u BE u E iB rBE rBB' iE RE IC
ube iB rBE rBB' 1iB RE
Uki Ube
u ki RC iB RE
IB
u ki RC ube rBE rBB' 1RE ’17 dec.
86
uki RC ube rBE rBB' 1RE
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 ’17 dec.
87
RC
I0+IB
R1
Ut
Uki kevésbé függ -tól IC Uki
I0 ≈ IB10 Ekkor az osztó kimenetét
elenyészően befolyásolja IB
’17 dec.
RE
I0
R2
Ube
88
RC
I0+IB
R1
Ut
Emitteren: ≈ UtR2/(R1+R2)-0,6V Mivel: IC Uki
’17 dec.
RE
I0
R2
Ube
ICRC=Ut/2 a jó munkaponthoz,
IC ≈ IE és IE ≈ (UtR2/(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 ’17 dec.
90
Bipoláris tranzisztorok Árammal vezérelhető nagyobb áram Kapcsolóként
Analóg áramkörökben
MOSFET Feszültséggel vezérelt ellenállás
Digitális áramkörökben Kapcsolóként
Analóg áramkörökben ’17 dec.
91
