Tirisztorok négyrétegű félvezető 3 záróréteg (I.; II.; III.) Teljesítmény elektronikai eszköz Nagy teljesítményű kapcsoló
-
Felépítés
jelőlés A Anód P N
G P Gate
Katód
N K
Működés 1) UAK <0 (negatív) A P ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ + + + + + + + +
I.
N G
+ + + + + + + + ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒
a) UG = 0; II. záróréteg nyit; I. – III. záróréteg zárt b) UG > 0; II. – III záróréteg nyit, de I. záróréteg zárva marad c) UG < 0; I. – II. nyit, III. zárva marad IA = 0 NEM VEZET
II. 2) UAK > 0 (pozitív)
P ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ ‒ + + + + + + + +
III.
N K
a) UG = 0; I. ‒ III. nyit, II. zárva marad; IA = 0 b) UG = 0; UAK = UB ; II. nyit IA > 0 VEZET c) 0 < UAK < UB; UG > 0; II. záróréteg nyit IA > 0 VEZET
A tirisztor jelleggörbéje UBR - letörési feszültség (kritikus) URM - ismételhető maximális negatív zárófeszültség - kioltás - a G-ből nem lehetséges; - kioltási feltétel: IA < IH - fenttartási áram
Vezérelt egyenirányító
-
gyújtási szög φ; φ = 30° (minimális gyújtási szög) -> anódáram maximális φ = 150°(maximális gyújtási szög) -> anódáram minimális A negatív félperiódus alatt érkező gyújtóimpulzusok hatástalanok maradnak A gyújtási szög változtatásával változik az egyenirányított áram középértéke:
IA =
1 T I M ⋅ sin ωt ⋅ dt T ∫ϕ
Triac -
két ellenpárhuzamosan kapcsolt tirisztor mindkét irányban vezeti az áramot
- működés: UA ≠ 0 és UG = 0 -> IA = 0; a tirisztor nem vezet - Négyféle vezetési üzemmód: 1) UA > 0; 2) UA > 0; 3) UA < 0; UG > 0 UG < 0 UG > 0 IA > 0 IA > 0 IA < 0
4) UA < 0 UG < 0 IA < 0
Alkalmazás: Váltakozó áramú teljesítményszabályozó
ERŐSÍTŐK - jel erősítést végeznek – vezérelt teljesítmény átalakítás - aktív négy pólus - bipoláris vagy térvezérlésű tranzisztorok alkotják - osztályozás: - hullámforma szerint - egyenfeszültségű - váltakozó feszültségű: - szélessávú - hangolt Fontosabb jellemzők:
U2 U1 Ha U2 > U1 ; Au>1 erősítő
feszültségerősítés
Au=
U2 = U1 ; Au=1 ismétlő U2 < U1 ; Au<1 atenuátor (csillapító)
- az erősítés mértékegysége: decibel [dB] U AU [dB ] =20 lg 2 U1
U2 > U1
Au [dB ] >0
U2 = U1
Au [dB ] =0
U2 < U1
Au [dB ] <0
Áramerősítés: Ai =
I2 I1
Ai [dB ] =20 lg
I2 I1
U 2 I 2 P2 • = U 1 I 1 P1 P Ap [dB ] =10 lg 2 P1 - az erősítés fázisa (φ); a bemeneti és kimeneti feszültségek közötti fáziskülönbség
- teljesítményerősítés:
AP = Ai · Au =
- bemeneti ellenállás: - kimeneti ellenállás:
u1 i1 u rKi = 2 i2
rBe =
- sávszélesség: B = ff - fa ff – felső határfrekvencia fa – alsó határfrekvencia - határfrekvencia: - az a frekvencia érték, ahol az erősítés 3dB-el csökken az 1kHz-en mért frekvenciához képest Bipoláris tranzisztoros erősítő - a generátor jellemzői: Rg; ug - Cbe, Cki; Csatoló kondenzátorok; megvédik a munkapont beállítását a rákapcsolt generátortor, illetve terhelés hatásától - R1, R2; bázisosztó - RC; kollektor ellenállás - RE; emitter ellenállás - Rt; terhelő ellenállás (terhelés) - CE; emitter hidegítő ellenállás
-
a jellemző értékek meghatározásakor az erősítőt négypólusként kezeljük és a tranzisztort az egyszerűsített hibrid modellel helyettesítjük
- h11e; bementi ellenállás - h21e; áramerősítési tényező (β) - h22e; kimeneti admitancia
-
az erősítő váltakozó áramú modelljének elkészítésekor alkalmazott szabály: o minden, ami állandó értékű (pl. táplálási fesz.) a testhez kapcsolódik o minden kondenzátor rövidzár
felírhatók a következők: 1 − h21e ⋅ ib ⋅ ( × RC × Rt ) U2 h h22 e 1 AU = = − 21e ( × RC × Rt ) = U1 ib × h11e h11e h22 e
-
rbe =
rki =
u1 i1 ( R1 × R2 × h11e ) = R1 × R2 × h11e ; = i1 i1
u2 = i2
i2 ⋅ ( RC × i2
1 ) h22 e
= RC ×
1 ; h22 e
1 h22 e
R1 x R2 >> h11e ->
>> RC ->
rbe = h11e
rki = RC
FET tranzisztoros erősítő - a generátor jellemzői: Rg; ug - Cbe, Cki; Csatoló kondenzátorok; megvédik a munkapont beállítását a rákapcsolt generátortor, illetve terhelés hatásától - RD; drain ellenállás - RS; source ellenállás - Rt; terhelő ellenállás - CS; source hidegítő ellenállás
- FET erősítő helyettesítő kép és jellemző értékek rbe =
u1 = RG i1
u rki = 2 = i2
u AU = ki = ube
i2 ⋅ (
1 y 22 s
× RD × Rt )
− y 21 ⋅ ube ( =
ube
1 y 22 s ube
× RD × Rt ) = − y 21 ⋅ (
1 y 22 s
i2 (
1 y 22 s i2
× RD ) =
1 y 22 s
× RD
× RD × Rt ) = − y 21 ⋅ ( rki × Rt )
Többfokozatú erősítők i1
i2
A1
u1
AU =
i1 u2
i3
A2
u3
in …… …… un ……
in+1
An
un+1
u n+1 u n ⋅ An u n−1 ⋅ An ⋅ An−1 = ..... = An ⋅ An−1 ⋅ ....⋅ A1 = = u1 u1 u1
AU [ dB ] = AU 1[ dB ] + AU 2 [ dB ] + ... + AUn [ dB ] u1 i1 u rki = n+1 in+1
rbe =
Visszacsatolt erősítők (negatív visszacsatolás)
AU =
U2 U be
- visszacsatolás nélküli erősítő
AUv =
U2 U1
- erősítés visszacsatolással
β=
Uv U2
visszacsatolási tényező (β < 1)
Auv =
A ⋅U Au⋅ ⋅ U be U2 = u⋅ be = = U 1 U be − U v U be − β ⋅ U 2
β·Au – hurokerősítés;
Au⋅ ⋅ U be Au⋅ = U 1 − β ⋅ Au U be ( 1 − β 2 ) U be
ha β·Au>>1;
Auv = −
akkor:
1
β
β <0 a feltétele a negatív erősítésnek; - az erősítőknél csak negatív erősítés alkalmazható. -
hátrány: - csökken az erősítés előny: stabillá válik az erősítő o növelhető a bemeneti ellenállás o csökkenthető a kimeneti ellenállás o nő a sávszélesség
Műveleti erősítők -
kiváló minőségű integrált áramkörös rendszerint többfokozatú erősítő o nagy feszültség erősítés - Au > 100 dB o nagy bemeneti ellenállás - rbe > 1 MΩ o kicsi kimeneti ellenállás - rki > 10 Ω
- integrált áramkör: - egy félvezető kristályon (monolit kristály) vannak elhelyezve a tranzisztorok, ellenállások, stb. o ellenállás helyet tranzisztorok (aktív ellenállások) - elnevezés – kezdetben aritmetikai műveletvégzésre tervezték. ( pl. analóg jelek összeadása, szorzása, logaritmus) -
I+ ; I- bemeneti áramok (nagyon kicsi érték pA, )
Uki = Au0 UD = Au0 (U+ - U-) Jellemző mennyiségek: U Au0 = ki - nyílthurkú differenciális erősítés UD
AC, DC jelek erősítésére egyaránt alkalmas Differenciál bemenettel rendelkeznek Szimmetrikus tápfeszültség ( +UT ; - UT) U- - invertáló (fázisfordító) - U+ - neminvertáló (fázist nem fordító UD = U+ - U- - differenciál Au0 – differenciális nyílthurkú erősítés
U ki közös módú erősítés (nagyon kicsi) Uk A G = u 0 - közös módú elnyomás Avk A G[dB] = 20 lg u 0 nagyon kicsi Auk
Auk =
- sávszélesség: Au0
B = ff – fa - 20dB/dek
Au
f0
ff
f
- a felső határfrekvencia visszacsatolt erősítőnél:
fa – alsó határfrekvencia; egyenáramú erősítőnél: fa = 0 f0 – törésponti frekvencia; ettől az értéktől kezdve a nyílthurkú erősítés – 20dB/dek értékkel csökken; tipikus értéke: f0 = 10Hz
f f = f0
Au 0 Auv
- negatív visszacsatolás alkalmazásakor: Au 0 1 ≈ 1 + βAu 0 β - az erősítést csak a külső elemek határozzák meg. Auv =
Alapkapcsolások 1) Invertáló erősítő A pont - virtuális nullpont IN ≈ 0
A
Auv =
U A = 0 ; Iv = -Ibe U ki I v ⋅ Rv R = =− v U be I be ⋅ R1 R1
- sajátos eset: Rv = R1; Auv = -1; csak invertál, nem erősít
- bemeneti ellenállás: - kimeneti ellenállás:
U be I be ⋅ R1 = = R1 I be I be A rki = Rki uv ; ahol Rki a műveleti erősítő kimeneti ellenállása Au 0 rbe =
Offset probléma Ube = 0 A műveleti erősítő nagy bemeneti ellenállása miatt, az A pont potenciálja kissé megemelkedik, ami azt eredményezi, hogy a kimeneti feszültség nullától különböző lesz. Ezt hívjuk offset feszültségnek. UA ≠ 0
Uki ≠ 0
U0ff ≠ 0 ; U0ff = IN · Rv
- megoldás: kompenzálással A + bemenet potenciálját fel kell emelni az A pont potenciálra Ube = Uki = 0
R2 = R1 x Rv ellenálláson keresztül kell a + bemenetet a testre kötni.
R2 – offset kompenzáló ellenállás
Nem invertáló erősítő
U be = I be ⋅ Rbe + I v ⋅ Rv I be ≈ 0; ⇒ U be = I v ⋅ Rv U ki = I v ⋅ ( Rv + R1 ) Auv =
U ki I v ⋅ ( Rv + R1 ) R = = 1+ v U be I v ⋅ R1 R1
rbe = Rbe (nagyon nagy értékű) - a kimeneti ellenállás ua. mint az invertáló erősítőnél Váltakozó áramú erősítő Au0 = 100 dB rbe = 22 kΩ Auv = -100 rg = 1 kΩ Rt = 2kΩ Cc1 = Cc2 = 10µF
a) Rs ; Rv = ? b) Rk = ? c) fa = ? ; ff = ? d) Ug = 50 mV
Uki= ?
Megoldási útmutató a) R1 = Rbe
R1 = 22 kΩ
U ki R =− v U be Rs
Auv =
Rv = - Auv · Rs = 100 · 22 kΩ = 2,2 MΩ b) Rk = Rs x Rv ≈ 22kΩ c)
Cc1 ; Cc2
(Rk párhuzamos Rv-vel) törésponti frekvenciát visz be
rg ; Rs ; Cc1 ; -áramkör
Cc2 ; Rt áramkör ha
f1 =
f2 =
f1 > f2
fa = f1
f2 > f1
fa = f2
1 2π rg + Rs ⋅ Cc1
(
)
1 2πRt Cc 2
Az alsó határfrekvenciát mindig a nagyobb törésponti frekvencia fogja meghatározni ff = f0
Au 0 Auv
d) Ube = Ug ·
Rs = Rs + rg
